基于4NEC2的短背射天線設(shè)計與仿真

冉小英， 于 臻,2

(1. 華北科技學院 電子信息工程學院, 河北省廊坊 065201; 2. 北京郵電大學 電子工程學院, 北京 100876)

0 引 言

背射天線是20世紀60年代初在八木天線提出后出現(xiàn)的一種駐波天線，通過在普通慢波端射式天線的終端加一個稱為表面波反射器的金屬反射板，利用表面波反射器的鏡面作用，使傳來的表面波返回慢波結(jié)構(gòu)并從激勵端和原反射器輻射到自由空間。背射天線結(jié)構(gòu)簡單、饋電方便、縱向長度短、副瓣背瓣較小，在相同增益條件下短背射天線的口面尺寸要比拋物面天線小許多，而與其他類型的高增益天線(如八木天線，螺旋天線等)相比，短背射天線的輻射特性具有明顯優(yōu)勢。由于它效率高、能平裝及可用介質(zhì)材料密封等優(yōu)點，而在宇航和衛(wèi)星上得到重視和應用。

在背射天線饋源方面的研究中，文獻[1]中采用偶極子或者正交偶極子作為背射天線的饋源使用；文獻[2]選擇單線背射螺旋作為短背射天線的饋源產(chǎn)生圓極化波；文獻[3]采用微帶貼片天線作為饋源，提高了天線的增益和頻帶，同時方向性好，主瓣對稱、抗干擾性能強；文獻[4]選擇鋸齒天線作為饋源縮小了天線的尺寸；在反射面方面的研究中，文獻[5]采用拋物面代替主反射面底部的平面，用水滴型的寬帶振子作為饋源進行饋電，并利用CST仿真軟件仿真優(yōu)化了天線的結(jié)構(gòu)參數(shù)實現(xiàn)較高的增益和帶寬；文獻[6]中設(shè)計的背射饋源卡氏天線將背射原理和聚焦原理綜合于同一個天線系統(tǒng)之中，使小口徑天線具有大型卡氏天線的電性能；文獻[7]設(shè)計一種反射面背射螺旋天線，通過采用新型背射螺旋天線作饋源，實現(xiàn)了較高的口面效率；文獻[8]以圓環(huán)天線作為饋源,開口諧振腔作為反射體，設(shè)計了一款工作頻段為2 GHz的強定向圓環(huán)背射天線；文獻[9]對短背射天線的次反射器進行了圓錐化的改進，使得天線增益提高約0.2～0.3 dB，且旁瓣特性也隨之有很大的改善。本文在對背射天線的結(jié)構(gòu)和工作原理分析基礎(chǔ)上，利用等效焦點原理，以半波振子為饋源，在2.4 GHz的中心頻率條件下，設(shè)計天線的結(jié)構(gòu)參數(shù)，利用4NEC2軟件搭建了短背射天線模型并進行優(yōu)化仿真研究。

1 背射天線

1.1 長背射天線結(jié)構(gòu)和工作原理

背射天線是根據(jù)鏡像原理，在引向天線后面加上一反射盤構(gòu)成，反射盤起鏡像作用，如圖1所示。

圖1(a)中，有源振子F產(chǎn)生的電磁波在反射器R的作用下，沿著箭頭的方向以小于光速的速度行進，其能量集中于圍繞偶極陣軸的波道內(nèi)，到達結(jié)構(gòu)終端后，表面波從虛擬孔徑VA輻射出去，總輻射為來自VA的表面波輻射和來自F的直接輻射之和，這即為普通八木端射慢波結(jié)構(gòu)的機理。圖1(b)中，在慢波結(jié)構(gòu)的終端放一個平面反射器M，則來自F的表面波將被M反射，能量再次經(jīng)過慢波結(jié)構(gòu)并朝F方向返回，從位于饋電段的虛擬孔徑V'A'輻射出去，其輻射方向與普通端射天線相反。為了與端射天線原有反射器R相區(qū)別，通常稱反射器M為表面波反射器。

當表面波反射器M足夠大時，根據(jù)鏡像原理，將M的作用以慢波結(jié)構(gòu)的像來代替。這意味著背射天線的作用好像是兩倍長度的普通端射天線，即背射天線的增益比相同長度的普通端射天線約高3 dB。再加上小反射器R的鏡像作用，端射天線的激勵點F等效于背射天線的鏡像點F'，也要攜帶1倍的功率向等效空間輻射，這樣背射天線的增益可增加6 dB[10]。這樣背射天線等效為有效直徑大得多的口面，因而方向性要好很多。若在表面反射器邊緣增加一圈反射環(huán)(邊框)，則可使增益再加大2 dB左右，增益大致為：

(1)

原則上，慢波結(jié)構(gòu)端射天線都可以組成長背射天線，如八木天線、螺旋天線、介質(zhì)天線及鋸齒天線等。

1.2 短背射天線結(jié)構(gòu)和工作原理

短背射天線是在長背射天線基礎(chǔ)上去掉慢波結(jié)構(gòu)天線演變而來。短背射天線由一根有源振子(或開口波導、小喇叭)和兩個反射盤組成，如圖2(a)所示。小反射盤的直徑為(0.4～0.6)λ，大反射盤的直徑為2λ，邊緣上有寬度W=λ/4～λ/2的反射環(huán)。電波在兩個反射盤之間來回反射，其中一部分越過小反射盤向外輻射。各部分組合成一個較為理想的開口電磁諧振腔，使其定向輻射性能加強而雜散能量減弱，因而能獲得較高增益和較低副瓣。其增益約為8.5～17 dB，在同樣增益下，其長度可為引向天線的1/10。目前該天線主要依靠經(jīng)驗數(shù)據(jù)進行設(shè)計，再通過實驗調(diào)整。

(a)短背射天線結(jié)構(gòu)(b)短背射天線輻射場

圖2 短背射天線結(jié)構(gòu)及輻射示意圖

短背射天線向空間的輻射場可近似的認為由四部分組成，如圖2(b)所示。其中，虛線①表示饋源F直接射向表面波反射器M，經(jīng)M反射向空間的波；虛線②表示饋源向小反射器R輻射的波，經(jīng)小反射器反射到表面波反射器后又向空間輻射的波；虛線③表示輻射的波被圍在表面波反射器周圍的變換攔截轉(zhuǎn)而射向空間中的波；虛線④表示所有經(jīng)小反射器邊緣的繞射波[11]。短背射天線由于結(jié)構(gòu)緊湊，兩塊反射面都是平面，其制作要比拋物面容易的多。

2 短背射天線的分析設(shè)計

2.1 等效焦點原理

根據(jù)“等效焦點”原理設(shè)計短背射天線最佳尺寸。將背射天線視為等效曲面反射器天線，置于“等效焦點”上的饋源輻射的球面波經(jīng)反射面反射后形成平面波窄波束，只是天線孔徑上的等相位面的形成不是靠反射面的形狀(如普通拋物面天線)，而是適當選擇大、小反射面的尺寸、位置和邊環(huán)寬度等來實現(xiàn)，因此找到“等效焦點”是優(yōu)化短背射天線的重要過程，如圖3所示。

設(shè)短背射天線的等效輻射孔徑為S，根據(jù)惠更斯原理，求軸線z上某點F的繞射場如圖4所示。

為了簡化，假設(shè)孔徑場等幅分布，且其值為E0，則F點的電場E為：

(2)

(3)

式(3)取得最大值的條件是(n= 1，2，3，… )：

(4)

滿足式(4)的F點就是短背射天線的“等效焦點”，相應f為“等效焦距”。

由以上推導可以得到以下結(jié)論：

(1)f和R是n的函數(shù)，當n取不同值時，有：

對于給定的n值，僅當f和R取相應的值時，可望得到最大增益。例如，n=1時，可選取表面波反射器直徑2R=2.24λ，天線長度l=f=λ，再適當選擇小反射器直徑和邊環(huán)寬度，該背射天線可獲得較高的增益。

(2) 背射天線的“等效焦距”有n個，對應于給定半徑的表面波反射器，當饋源的相位中心置于“等效焦點”上時，能獲得最佳輻射特性。經(jīng)過實驗表明，背射天線口徑場近似為余弦分布，在λ/2處也存在等效焦點。

(3) 背射天線的“等效焦距”是頻率的函數(shù)。假如有一個饋源，其相位中心也是頻率的函數(shù)，且函數(shù)形式與“等效焦距”的函數(shù)形式相同或近似相同，這樣的饋源作為背射天線的饋源，就能獲得一個較寬的頻帶[12-13]。

2.2 短背射天線結(jié)構(gòu)設(shè)計

以2.4 GHz為天線中心頻率，選用半波振子作為短背射天線饋源。根據(jù)式(4)，選取n=1時，獲得主反射器的最佳直徑R=2.24λ。大反射面上的邊環(huán)對天線的輻射特性有一定影響， 特別是對副瓣電平影響較大，其寬度D一般取為0.25λ～0.5λ，而D值從0.25λ增至0.5λ時，天線的增益變化并不大，因此為了制作方便，選取D=0.25λ。由“等效焦點”原理可知，短背射天線第一個等效焦點距大反射面中心λ/2，把饋源相位中心放于該點將獲得較大的增益。但是本設(shè)計的中心頻率選擇為2.4 GHz，其對應波長為125 mm，制作出的天線屬于小型天線，饋源與反射面之間的距離不易太大。背射天線是漏波諧振腔結(jié)構(gòu)，電磁波在兩個反射面之間多次反射，場分布沿天線軸線形成駐波，天線的近場分布很接近于余弦分布，如圖5所示。將饋源置于圖中駐波最大值即0.25λ處，可得到最大增益。令小反射面與大反射面相距λ/2，副反射器恰好位于第一等效焦點處。

根據(jù)以上分析，即可設(shè)計出中心頻率2.4 GHz的短背射天線，其具體尺寸如下：主反射器直徑R=2.24λ=2.24×125=280 mm，副反射器直徑r=0.5λ=0.5×125≈63 mm，半波振子長l=0.5λ=0.5×125≈63 mm，邊環(huán)寬度D=0.25λ=0.25×125≈31 mm，天線總長度L≈62 mm。

2.3 背射天線交互式計算器的設(shè)計

為了方便直觀地對天線參數(shù)進行調(diào)整，利用Visual Basic軟件編寫設(shè)計了一個短背射天線參數(shù)交互式計算器軟件[14-15]。當輸入天線的中心工作頻率2.4 GHz后，該軟件可計算出天線的相關(guān)幾何尺寸和增益，其中，主反射器直徑R=280 mm，副反射器直徑r=62.5 mm，半波振子長l=62.5 mm，邊環(huán)寬度D=31.25 mm，天線總長度L=6.52 mm的短背射天線結(jié)構(gòu)尺寸如圖6所示。

3 短背射天線建模與仿真

設(shè)計中采用4NEC2仿真軟件進行天線模型的搭建和性能分析。該軟件基于Windows 操作系統(tǒng)，對二維和三維幾何式天線進行建模、仿真、參數(shù)掃描和性能優(yōu)化。根據(jù)設(shè)計好的參數(shù)，搭建短背射天線模型，經(jīng)4NEC2軟件優(yōu)化后，得到背射天線的優(yōu)化參數(shù)和仿真結(jié)果，此時駐波比有所下降，天線尺寸得到了優(yōu)化，方向性增強，如圖7～9所示。

圖6 以2.4 GHz為中心頻率短背射天線尺寸

圖7 短背射天線模型

圖8 短背射天線的優(yōu)化參數(shù)

圖9 短背射天線優(yōu)化平面和立體方向圖

4 結(jié) 語

從仿真圖中可看出，在自由空間中以2.4 GHz為中心工作頻率的短背射天線，天線的輸入阻抗為97.5-j0.12，電抗成分較小，很容易與饋線實現(xiàn)匹配，電壓駐波比VSWR=1.95，天線的增益為14.5 dB，最高增益與平均增益的差值RDF=11.8 dB，增加反射面后，半波振子的方向性明顯增強，增益有較大的提高。

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