电-磁振子组合型UWB天线的设计与测量
时间:2023-09-29 10:35来源: 作者: 点击: 次
由于工程实际的需要，高效率的小型化超宽带高功率微波天线成为研究的热点。对于高功率的小型化天线而言，其技术难点主要体现在两个方面：一是天线辐射效率低。二是天线馈电反射大、绝缘难。
有关超宽带辐射天线小型化研究的文献报道不多见。俄罗斯在小型化"多通道天线"[1]方面有一些实验研究结果。但这种天线及其阵列[2]的理论研究有一定难度，目前主要以实验研究为主，应用也十分有限。由于瞬态激励脉冲具有宽频带特征，鉴于此，本文从电-磁组合型天线的物理结构分析入手，结合实验和数值模拟，采用频域和时域相结合的方法，对电-磁组合型天线的特性进行了研究。
1 理论分析
1.1 天线结构
图1为结构示意图[2]。图中所示：①为天线同轴馈电区；②为外导体板；③为电流环调节器；④为TEM喇叭上极板；⑤为TEM喇叭下极板。
1.2 天线物理结构及其特性分析
天线的物理结构与天线性能有比较密切的关系。辐射天线的输入阻抗与超宽谱脉冲源的特性阻抗的失配，造成天线馈源处不同程度地反射。从图1所示的天线结构形式来看，激励脉冲（如图2）进入同轴馈电区后，具有宽频带特征（如图3）的脉冲电流馈入天线。一部分电流通过①、③、②构成的电流环（或磁振子）向自由空间辐射,同时产生反射波和热耗（由于激励脉冲的上限频率较低，天线的热损耗一般可不予考虑）；另一部分电流通过①、④、⑤构成的阻抗渐变型TEM喇叭（主要表现为电振子辐射器）向自由空间辐射，同时也产生反射波。
根据以上分析，可以得到该天线等效电路，如图4所示。其中Rring、Rtrumpet分别为天线的磁振子（电流环）与电振子（TEM喇叭）的辐射电阻，二者与激励信号的频率f成非线性关系。
天线中的电流环为并联谐振回路，随着频率的提高，电流环由低频短路负载逐渐转变成为以磁振子为主的辐射器，磁振子的辐射电阻Rring也相应增加。对低频而言，电流环为小环辐射器，相当于磁基本振子，其辐射特性等同于磁基本振子；而对高频而言，它又相当于大电流环辐射器，可以应用大电流环辐射理论来分析其输入特性和辐射特性。
在中，TEM喇叭相当于串联谐振回路。随着频率的提高，TEM喇叭由低频开路负载逐渐转变成以电振子为主的辐射器，电振子的辐射电阻Rtrumpet也随之变化。对低频而言，TEM喇叭最基本的物理模型为偶极子天线，它的辐射场是若干偶极子场的矢量叠加。其时域辐射场表达式[4]为：
其中：f(g)为TEM喇叭特性阻抗与自由空间阻抗的比值，δ(a)(t)为冲击函数，h为喇叭口面高度，l为喇叭长度，V0 为馈入天线的阶跃电压的幅值。
随着频率的进一步提高，TEM喇叭再转变成为高频短路负载。当频率f很高时，TEM喇叭电振子和电流环磁振子均严重失谐，分别处于短路和开路状态。造成馈源处较大反射。
中电振子与磁振子的远区辐射场同为垂直极化波。通过调整磁振子与电振子的参数Lring、Ctrumpet以及相位中心距，使两个天线振子形成电-磁振子互补辐射[3]，从而降低天线的辐射电阻对信号频率的依赖，扩展了天线的工作频带，降低了天线负载的不匹配所造成的反射，而且还能使两个辐射器的空间瞬态辐射场相互叠加，最大限度地提高天线的辐射效率。
2 模拟计算
在以上分析的基础上，利用数值模拟软件对50x50x50cm3的电-磁振子组合型超宽带天线进行了模拟，图5、图6为数值模拟结果。
3 实验结果
通过模拟与分析，优化设计了一付长、宽、高尺寸均为50cm的电-磁振子组合型UWB天线（如图7所示），并用频域和时域方法对天线进行了测试。
图8为采用安立的失量网络分析仪MS4623B所测得的天线驻波曲线、阻抗圆图和时域反射曲线。 频域测量的结果表明，该天线在100MHz~1GHz的10倍频程内，天线的驻波系数小于3，与数值模拟的结果基本吻合。从时域测量曲线图8（c）看出：天线最 图7 电-磁振子组合型UWB天线大反射点在馈源输出端。
有关超宽带辐射天线小型化研究的文献报道不多见。俄罗斯在小型化"多通道天线"[1]方面有一些实验研究结果。但这种天线及其阵列[2]的理论研究有一定难度，目前主要以实验研究为主，应用也十分有限。由于瞬态激励脉冲具有宽频带特征，鉴于此，本文从电-磁组合型天线的物理结构分析入手，结合实验和数值模拟，采用频域和时域相结合的方法，对电-磁组合型天线的特性进行了研究。
1 理论分析
1.1 天线结构
图1为结构示意图[2]。图中所示：①为天线同轴馈电区；②为外导体板；③为电流环调节器；④为TEM喇叭上极板；⑤为TEM喇叭下极板。
图1 电-磁振子组合型UWB天线结构示意图
1.2 天线物理结构及其特性分析
天线的物理结构与天线性能有比较密切的关系。辐射天线的输入阻抗与超宽谱脉冲源的特性阻抗的失配，造成天线馈源处不同程度地反射。从图1所示的天线结构形式来看，激励脉冲（如图2）进入同轴馈电区后，具有宽频带特征（如图3）的脉冲电流馈入天线。一部分电流通过①、③、②构成的电流环（或磁振子）向自由空间辐射,同时产生反射波和热耗（由于激励脉冲的上限频率较低，天线的热损耗一般可不予考虑）；另一部分电流通过①、④、⑤构成的阻抗渐变型TEM喇叭（主要表现为电振子辐射器）向自由空间辐射，同时也产生反射波。
图2 激励脉冲波形 图3 激励脉冲频谱
根据以上分析，可以得到该天线等效电路，如图4所示。其中Rring、Rtrumpet分别为天线的磁振子（电流环）与电振子（TEM喇叭）的辐射电阻，二者与激励信号的频率f成非线性关系。
图4 电-磁振子天线等效电路图
天线中的电流环为并联谐振回路，随着频率的提高，电流环由低频短路负载逐渐转变成为以磁振子为主的辐射器，磁振子的辐射电阻Rring也相应增加。对低频而言，电流环为小环辐射器，相当于磁基本振子，其辐射特性等同于磁基本振子；而对高频而言，它又相当于大电流环辐射器，可以应用大电流环辐射理论来分析其输入特性和辐射特性。
在中，TEM喇叭相当于串联谐振回路。随着频率的提高，TEM喇叭由低频开路负载逐渐转变成以电振子为主的辐射器，电振子的辐射电阻Rtrumpet也随之变化。对低频而言，TEM喇叭最基本的物理模型为偶极子天线，它的辐射场是若干偶极子场的矢量叠加。其时域辐射场表达式[4]为：
其中：f(g)为TEM喇叭特性阻抗与自由空间阻抗的比值，δ(a)(t)为冲击函数，h为喇叭口面高度，l为喇叭长度，V0 为馈入天线的阶跃电压的幅值。
随着频率的进一步提高，TEM喇叭再转变成为高频短路负载。当频率f很高时，TEM喇叭电振子和电流环磁振子均严重失谐，分别处于短路和开路状态。造成馈源处较大反射。
中电振子与磁振子的远区辐射场同为垂直极化波。通过调整磁振子与电振子的参数Lring、Ctrumpet以及相位中心距，使两个天线振子形成电-磁振子互补辐射[3]，从而降低天线的辐射电阻对信号频率的依赖，扩展了天线的工作频带，降低了天线负载的不匹配所造成的反射，而且还能使两个辐射器的空间瞬态辐射场相互叠加，最大限度地提高天线的辐射效率。
2 模拟计算
在以上分析的基础上，利用数值模拟软件对50x50x50cm3的电-磁振子组合型超宽带天线进行了模拟，图5、图6为数值模拟结果。
（a） 天线驻波曲线 （b） 天线输入阻抗圆图
图5 50cm电-磁振子组合型天线模拟结果
图 6 不同频率下50cm电-磁振子组合型UWB天线在θ=900和φ=900平面的方向图
3 实验结果
通过模拟与分析，优化设计了一付长、宽、高尺寸均为50cm的电-磁振子组合型UWB天线（如图7所示），并用频域和时域方法对天线进行了测试。
图8为采用安立的失量网络分析仪MS4623B所测得的天线驻波曲线、阻抗圆图和时域反射曲线。 频域测量的结果表明，该天线在100MHz~1GHz的10倍频程内，天线的驻波系数小于3，与数值模拟的结果基本吻合。从时域测量曲线图8（c）看出：天线最 图7 电-磁振子组合型UWB天线大反射点在馈源输出端。
图8 MS4623B失网测量结果
图9为天线馈入超宽带脉冲信号时，用Tek TDS684测量到的入射脉冲、反射脉冲和辐射场脉冲波形。其中，激励脉冲信号底宽约为2ns，前沿为350ps，峰值电压为150V。入射信号与反射信号采用无感电容分压器（分压比为100:1），辐射场测量采用带宽为80MHz~2GHz、有效高度为6.1cm的TEM喇叭测量天线，测量点位于天线最大辐射方向距离口面10m处。测得反射波最大正峰29.8V、最大负峰为-35.6V，测点的电场强度为24.6V/m。求得该天线辐射效率Kw=Wr/Wg=60%(Wr=Wg-Wref为天线的辐射能，Wg为激励脉冲能量，Wref为天线反射脉冲的能量)。图9 时域测量波形
4 结论及存在的问题
通过以上分析和研究得出：电-磁振子组合型天线利用电流环与TEM喇叭的互补状态来实现带宽扩展，天线调整合适，小型化UWB天线能够做到带宽宽、辐射效率高；尽管天线尺寸小，由于采用同轴过渡馈电结构，可以解决高功率UWB脉冲馈电难的问题；天线结构和瞬态脉冲辐射问题比较复杂，不宜直接和完全采用时域方法，而用频域方法研究天线的结构和特性相对容易，它为天线的时域特性研究创造了条件。
存在的问题是：由于天线结构的复杂性，天线各部分电流分布的求解相当困难，另外，在进行电-磁振子组合型天线模拟计算时，由于计算资源的限制以及建立的模型与实际天线间有较大的差异，从而造成了计算与测量结果之间的误差。
