微波天線的設(shè)計(jì)和仿真探索

何建鋒

摘 要：對(duì)于很多微波源來(lái)說(shuō)，其所產(chǎn)生的微波模式都是為圓波導(dǎo)軸對(duì)稱模式，這就使得對(duì)于該種模式的輻射技術(shù)研究具有著非常重要的意義。文章就微波天線的設(shè)計(jì)和仿真進(jìn)行分析與研究。

關(guān)鍵詞：微波天線；設(shè)計(jì)；仿真探索

中圖分類號(hào)：TP391.9 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-8937（2015）20-0024-02

近年來(lái)，微波技術(shù)在我國(guó)得到了較大程度的發(fā)展，很多種類型的微波器件相繼出現(xiàn)。目前，高功率微波無(wú)論是在通訊、導(dǎo)航、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)還是雷達(dá)方面都得到了較為廣泛的應(yīng)用，尤其是在20世紀(jì)70年代之后，社會(huì)以及軍事方面對(duì)高頻率、高功率微波源的要求更使得微波技術(shù)得到了飛速的發(fā)展。其中，微波天線輻射技術(shù)可以說(shuō)是對(duì)高功率微波技術(shù)進(jìn)行研究的一個(gè)重點(diǎn)內(nèi)容，將直接關(guān)系到相關(guān)信號(hào)是否能夠被有效的進(jìn)行輻射。對(duì)此，就需要我們通過(guò)微波天線的仿真研究對(duì)其進(jìn)行更好的設(shè)計(jì)與應(yīng)用。

1 Vlasov天線仿真設(shè)計(jì)

1.1 基本原理

1.1.1 Vlasov輻射器

對(duì)于該種天線類型來(lái)說(shuō)，其是1975年由俄羅斯科學(xué)家所提出的一種緊湊、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且十分有效的天線技術(shù)。在其出現(xiàn)之后，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的發(fā)展成為了一種新類型的天線技術(shù)，目前，該種類型天線在實(shí)際應(yīng)用中也分為了很多種類型，如根據(jù)切口形狀的差異就可以分為Helix-Cut、Step-Cut、Bevel-Cut三種型號(hào)。

在該種技術(shù)中，其具有的TE0n以及TM0n由于具有著對(duì)稱旋轉(zhuǎn)的特征，在以喇叭方式或者開(kāi)口波導(dǎo)方式對(duì)信號(hào)進(jìn)行輻射時(shí)，則往往會(huì)呈現(xiàn)出一種空心圓錐形狀。而為了能夠?qū)ζ渌哂械倪@種軸對(duì)稱型進(jìn)行良好的改進(jìn)、使其能夠在實(shí)際應(yīng)用中能夠具有更好的方向性，目前也逐步開(kāi)發(fā)除了一種特殊形狀末端的階梯型輻射器，其形狀如圖1（a）、（b）所示。

對(duì)于該種結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，其能夠?qū)⒉▽?dǎo)中所具有的軸對(duì)稱特征在輻射出之后形成一種具有方向性的空間輻射場(chǎng)，同時(shí)，此種結(jié)構(gòu)也能夠作為天線反射面的饋源，而在此種情況下，我們也將稱之為Vlasov輻射器。而當(dāng)其在直接輻射形式下對(duì)微波進(jìn)行輻射時(shí)，就可以稱之為Vlasov天線。對(duì)于Vlasov輻射器來(lái)說(shuō)，其在幾何光學(xué)方面鄋具有的特征較為明顯，即在軸對(duì)稱情況下，其所具有的微波矢量在波導(dǎo)中也是以對(duì)稱的形式進(jìn)行存在的，且在周線同射線之間具有著一個(gè)夾角。而當(dāng)其開(kāi)口一段為階梯形狀時(shí)，其在對(duì)信號(hào)輻射過(guò)程中所具有的對(duì)稱性質(zhì)也會(huì)隨之發(fā)生變化，其射向階梯的射線會(huì)被反射到了另外一側(cè)，并因此使信號(hào)輻射所具有的方向性能夠得到提升。

1.1.2 帶反射面的Vlasov天線

對(duì)于以斜切或者階梯形狀的輻射器端口來(lái)說(shuō)，其在具體輻射方向性方面雖然相較以往具有一定的提升，但是在其上端射線方面依然具有著發(fā)散的特征，并因此依然具有著較好的方向性。而對(duì)于軸對(duì)稱模式來(lái)說(shuō)，其所發(fā)出的射線都是從軸線位置向著端口斜上方進(jìn)行輻射，在此種情況下，為了能夠獲得更好的輻射效果，就可以在在階梯或斜切口上方加一個(gè)焦線位于波導(dǎo)軸線上的拋物柱面，以此獲得單反射面的Vlasov天線。而對(duì)于這種具有單反射面的天線來(lái)說(shuō)，其在實(shí)際應(yīng)用中在同一個(gè)方向上會(huì)使波束出現(xiàn)變窄的情況，為了能夠再次基礎(chǔ)上獲得更好的增益效果，則可以在其基礎(chǔ)上放置二級(jí)放射面。

1.2 微波天線模擬仿真設(shè)計(jì)

1.2.1 Vlasov輻射器

在本文中，以數(shù)值模擬的方式設(shè)計(jì)了一種斜切角為30 ？觷的輻射天線，對(duì)于Vlasov輻射器來(lái)說(shuō)，其切口傾角情況對(duì)于最終信號(hào)的輻射方向具有著較大的影響，當(dāng)該傾角較大時(shí)，其在邊緣效應(yīng)的基礎(chǔ)上就會(huì)使旁瓣電平隨之升高。而當(dāng)傾角較小時(shí)，方向圖在特征方面則不具有較為明顯的改善情況，而當(dāng)該值為30 ？觷時(shí)，可以說(shuō)整個(gè)輻射方向圖具有著最為理想的狀態(tài)，這也是我們選擇該值為30 ？觷的原因。

在實(shí)際模擬時(shí)，我們?cè)趯?duì)模型進(jìn)行監(jiān)理時(shí)主要對(duì)以下三個(gè)因素進(jìn)行了充分的考慮，即模式變換器的尺寸、斜切角的大小以及變換器鼻錐形狀等。在對(duì)這幾個(gè)因素進(jìn)行確定之后，我們獲得該輻射器的結(jié)構(gòu)圖，如圖2所示。

在該輻射率的頻段方面，應(yīng)當(dāng)能夠保證信號(hào)圓波導(dǎo)段TM01能夠得到有效的傳輸，即其在低頻電方面同TM01的截至頻率相比應(yīng)當(dāng)要高，而高頻點(diǎn)同TM02的截至頻率相比應(yīng)當(dāng)較低。在該輻射器工作過(guò)程中，當(dāng)其頻率升高到出現(xiàn)TM02時(shí)，則會(huì)使信號(hào)具有著較為明顯的色散情況，不能夠以較為有效的方式進(jìn)行輻射，并在該點(diǎn)附近會(huì)出現(xiàn)較強(qiáng)的反射情況。而當(dāng)其工作頻率在此基礎(chǔ)上繼續(xù)提升時(shí)，TM01與TM01則會(huì)具有著共存的狀態(tài)，并因此時(shí)信號(hào)傳輸?shù)姆较驁D出現(xiàn)了多瓣的情況。對(duì)此我們得到仿真之后的S11參數(shù)，如圖3所示。

從該參數(shù)圖中可以看到，在C段位置，天線在輸入端口方面所具有的反射情況較小，且天線處于良好的工作狀態(tài)。其中，4.484GHz位置所具有的反射情況最小，對(duì)此，我們可以通過(guò)對(duì)外導(dǎo)體半徑進(jìn)行調(diào)整的方式使其所具有的最小反射點(diǎn)進(jìn)行變化。而在進(jìn)一步的研究后，我們可以得到該天線在phi=90 ？觷時(shí)，該輻射器所具有的方向圖，如圖4所示。

1.2.2 帶單反射面的Vlasov天線

經(jīng)過(guò)上述研究我們可以了解到，對(duì)于以斜切或者階梯形狀的端口來(lái)說(shuō)，其在軸對(duì)稱模式下，所具有的輻射方向性雖然相比以往有著一定的提升，但是在端口上端的信號(hào)發(fā)射射線方面依然具有著較為發(fā)散的特點(diǎn)，并因此在方向性上存在著一定的不足。為了能夠使該種情況得到一定的改進(jìn)，我們則可以在原有端口的斜切或者接地上方加設(shè)一個(gè)焦線位于波導(dǎo)軸線上的拋物柱面，并以此形成了一種具有單反射面特點(diǎn)的Vlasov天線，其模擬結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。

在該種模式下，該天線在phi=90 ？觷時(shí)，該輻射器所具有的方向圖，如圖6所示。

同之前沒(méi)有經(jīng)過(guò)改造的方向圖相比，該種該方式在增益方面具有了較大的提升，且在波束方面也變得更窄?？梢哉f(shuō)，經(jīng)過(guò)該項(xiàng)改造，使天線所具有的信號(hào)發(fā)射性能得到了較大的提升。

1.2.3 帶二級(jí)反射面的Vlasov天線

在經(jīng)過(guò)單反射面改造之后，天線則能夠使信號(hào)波束在單方向上得到了變窄。在此基礎(chǔ)上，要想進(jìn)一步獲得更好的增益效果，則可以在單反射面基礎(chǔ)上加置二級(jí)反射面，如圖7所示。

該天線是在之前單反射面改造基礎(chǔ)上，再加置一個(gè)拋物柱面所形成的，其在天線phi=90 ？觷的情況下所具有的方向圖，如圖8所示。

可以看到，其在最大方向增益達(dá)到了20.6 dB，同單反射面相比具有了更大的提升。

2 結(jié) 語(yǔ)

在現(xiàn)今社會(huì)對(duì)信號(hào)傳輸?shù)囊笾饾u提升的情況下，對(duì)于微波天線的設(shè)計(jì)與研究則成為了一項(xiàng)非常重要的工作。在上文中，我們對(duì)Vlasov天線的設(shè)計(jì)與仿真進(jìn)行了一定的研究，并獲得了一定的研究成果，具有一定的實(shí)際應(yīng)用意義。

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