漸變槽天線端射特性優(yōu)化設(shè)計(jì)

王友成 董明宇 張 鋒 葉盛波 紀(jì)奕才 方廣有 張曉娟

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漸變槽天線端射特性優(yōu)化設(shè)計(jì)

王友成*①②董明宇③張 鋒①葉盛波①紀(jì)奕才①方廣有①?gòu)垥跃辎?/p>

①(中國(guó)科學(xué)院電磁輻射與探測(cè)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京 100190);②(中國(guó)科學(xué)院大學(xué) 北京 100049);③(中國(guó)電力科學(xué)研究院用電與能效所 北京 100085)

該文在優(yōu)化漸變槽天線結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，采用柵形開槽和加載周期結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了一款平面端射天線。通過數(shù)值模擬，分析了柵形開槽和周期結(jié)構(gòu)對(duì)天線輻射特性的影響。該結(jié)構(gòu)在1~3.5 GHz頻帶內(nèi)，明顯改善了漸變槽天線的端射特性。天線樣機(jī)測(cè)試結(jié)果表明，該天線在1~3.5 GHz內(nèi)，駐波系數(shù)小于2，增益約為7 dBi。天線的群時(shí)延相對(duì)平坦，時(shí)域波形振鈴較小，可以應(yīng)用于脈沖體制雷達(dá)。

天線；漸變槽；增益；小型化

1 引言

脈沖體制雷達(dá)具有高分辨、非破壞性和快速成像等優(yōu)點(diǎn)，并廣泛應(yīng)用于道路結(jié)構(gòu)缺陷檢測(cè)、橋梁隧道檢測(cè)等。天線作為前端傳感器，其性能的優(yōu)劣對(duì)雷達(dá)的探測(cè)性能具有重要的影響。常用于脈沖體制雷達(dá)的天線包括：帶金屬背腔的平面印制蝶形天線及其變形、喇叭天線、平面端射漸變槽天線等。其中，漸變槽天線具有低剖面、方向性好、容易組陣等優(yōu)點(diǎn)。在陣列雷達(dá)應(yīng)用中，陣列天線單元需要具有緊支撐的結(jié)構(gòu)，以及較好的輻射特性。因此，漸變槽天線獲得眾多研究者青睞。對(duì)天線的輻射臂進(jìn)行柵狀開槽，能夠有效改善天線前后輻射比并降低副瓣[15]。在天線端面上利用周期結(jié)構(gòu)，構(gòu)成人工電磁材料，改變天線輻射末端區(qū)域折射率，能夠改善天線增益[16]。本文采用經(jīng)典電磁耦合的饋電結(jié)構(gòu)，指數(shù)漸變槽構(gòu)成天線臂，并對(duì)天線臂末端進(jìn)行圓弧形處理。通過仿真進(jìn)一步分析了柵狀開槽(Slot)和周期結(jié)構(gòu)(Periodic Structure, PS)加載對(duì)天線特性的影響。最后，加工了一對(duì)天線并對(duì)其進(jìn)行了頻域和時(shí)域特性測(cè)試。本文第2節(jié)介紹了天線的幾何結(jié)構(gòu)和仿真結(jié)果，第3節(jié)給出了天線的測(cè)試結(jié)果，第4節(jié)為結(jié)論。

圖1 天線結(jié)構(gòu)圖

2 天線設(shè)計(jì)與仿真

2.1天線幾何結(jié)構(gòu)

表1天線結(jié)構(gòu)參數(shù)(mm)

L1L2L3L4W1W2W3 202.8742.805.0016.45158.602.004.40 W4W5W6W7R 6.600.150.301.0011.5985o

2.2 數(shù)值仿真結(jié)果

利用高頻電磁仿真軟件HFSS對(duì)天線特性進(jìn)行了數(shù)值模擬。仿真設(shè)計(jì)包括：常規(guī)漸變槽天線(Regular)，柵狀開槽(Slot)和增加周期結(jié)構(gòu)(Slot+ PS)。為了分析開槽結(jié)構(gòu)和周期結(jié)構(gòu)對(duì)天線端射特性的影響，仿真分析了其輻射特性。圖2給出了天線在2 GHz頻點(diǎn)處表面電流分布仿真結(jié)果，從圖2中可以看出，通過饋電處扇形枝節(jié)的電磁耦合，電流沿槽線向天線張開的末端流動(dòng)。明顯可以看到，能量束縛在槽線中。當(dāng)槽線逐漸張開時(shí)，能量將會(huì)向外輻射。在天線槽線張開的末端，電流沿邊緣分布；靠近末端的柵狀開槽，延長(zhǎng)了電流的路徑，這有利于拓展天線的帶寬。加載在天線臂末端的周期結(jié)構(gòu)部分表面電流分布如圖2中箭頭所指的局部放大圖所示，可以看到周期結(jié)構(gòu)表面產(chǎn)生了較弱的感應(yīng)電流，正對(duì)著槽線處的周期結(jié)構(gòu)單元感應(yīng)電流相對(duì)較強(qiáng)，這種感應(yīng)電流對(duì)槽線張口處的輻射有引向器的作用，這意味著天線的增益能得到改善。在圖3中，分別比較了這3種天線的駐波仿真結(jié)果?？梢钥闯?，柵狀開槽后，低頻段阻抗匹配變差，導(dǎo)致在0.5~1.0 GHz之間駐波出現(xiàn)突起。實(shí)際上，柵狀開槽結(jié)構(gòu)延長(zhǎng)了天線輻射臂末端電流路徑，有利于拓展低頻。但天線臂開槽之后，天線的輸入阻抗會(huì)發(fā)生變化，相應(yīng)需要調(diào)整匹配。本文為了研究應(yīng)用于1.0~3.5 GHz頻段天線輻射特性，并未對(duì)柵狀結(jié)構(gòu)的尺寸進(jìn)行優(yōu)化。當(dāng)增加?xùn)艩詈椭芷诮Y(jié)構(gòu)之后，天線的駐波特性在1.0 GHz以上，基本保持不變。圖4給出了天線增益仿真結(jié)果，從圖中可以看出，柵狀開槽以后，天線增益明顯得到增強(qiáng)。在0.5~1.8 GHz頻帶內(nèi)，柵狀結(jié)構(gòu)使得天線增益增加約3 dB；在高頻段，天線增益基本保持不變。在柵狀開槽基礎(chǔ)上，增加周期結(jié)構(gòu)，在高頻段能夠進(jìn)一步改善天線的增益。這也說明周期結(jié)構(gòu)在保證電磁波透射的同時(shí)，有著引向的作用。圖5-圖8分別仿真了天線面和面歸一化輻射方向圖。其中，圖5和圖6分別對(duì)應(yīng)面在頻點(diǎn)2 GHz和3 GHz輻射模式。從圖中可以看出，天線方向圖呈端射特性。柵形開槽之后，天線的后向輻射明顯減小、副瓣降低。在柵形開槽基礎(chǔ)上再增加周期結(jié)構(gòu)，天線的副瓣和后向輻射得到進(jìn)一步抑制。

圖2 天線2 GHz表面頻點(diǎn)電流分布仿真結(jié)果

3 天線測(cè)試結(jié)果

為驗(yàn)證設(shè)計(jì)思路，加工了一對(duì)天線樣機(jī)，并用安捷倫網(wǎng)絡(luò)分析儀E5071C對(duì)其進(jìn)行了測(cè)試。天線樣機(jī)的整體尺寸為203 mm159 mm 。天線的駐波系數(shù)實(shí)測(cè)與仿真結(jié)果如圖9所示，實(shí)測(cè)與仿真吻和良好。在1.0~3.5 GHz頻帶內(nèi)，天線的駐波系數(shù)小于2。將兩個(gè)天線樣機(jī)端對(duì)端放置，采用雙天線法對(duì)天線的增益進(jìn)行了測(cè)試。天線增益測(cè)試結(jié)果與仿真結(jié)果比較如圖10所示。實(shí)測(cè)結(jié)果與仿真結(jié)果趨勢(shì)一致，在個(gè)別頻點(diǎn)低于仿真值。這是因于天線測(cè)試時(shí)環(huán)境噪聲、測(cè)試平臺(tái)反射等因素所導(dǎo)致。將兩個(gè)天線樣機(jī)置于自由空間中，端對(duì)端相隔0.78 m放置，通過矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的時(shí)頻轉(zhuǎn)換功能測(cè)量天線的時(shí)域特性。天線群時(shí)延測(cè)試結(jié)果如圖11所示，在1.0~ 3.5 GHz頻帶內(nèi)，群時(shí)延保持平坦，基本保持在5 ns。這說明天線具有良好的傳輸特性，能夠輻射低振鈴的時(shí)域波形。圖12為天線時(shí)域輻射波形測(cè)試結(jié)果。圖12(a)為矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀源波形，圖12(b)為天線輻射波形。從圖中可以看出，該天線的時(shí)域波形具有較低的拖尾振鈴，說明該天線能夠較好地應(yīng)用于脈沖體制雷達(dá)中。

圖3 駐波系數(shù)仿真結(jié)果 圖4 天線增益仿真結(jié)果 圖5 天線在2 GHz頻點(diǎn)yoz面方向圖仿真結(jié)果

圖6 3 天線在3 GHz頻點(diǎn)yoz面方向圖仿真結(jié)果 圖7 天線在2 GHz頻點(diǎn)xoz面方向圖仿真結(jié)果 圖8 天線在3 GHz頻點(diǎn)xoz面方向圖仿真結(jié)果

4 結(jié)論

本文在優(yōu)化常規(guī)平面端射漸變槽天線基礎(chǔ)上，對(duì)天線臂進(jìn)行柵形開槽處理，并在天線末端增加周期結(jié)構(gòu)。利用電磁仿真軟件，對(duì)天線的駐波系數(shù)以及輻射特性進(jìn)行了分析。仿真結(jié)果表明，漸變槽天線經(jīng)過柵形開槽處理后，天線波束得以銳化，副瓣和后向輻射得到抑制，天線的增益得到了提高。天線臂末端的周期結(jié)構(gòu)，可以進(jìn)一步改善天線的前后輻射比和增益。為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)思想，加工了一對(duì)天線并對(duì)其測(cè)試。測(cè)試與仿真結(jié)果吻合良好。測(cè)試結(jié)果表明，該天線在結(jié)構(gòu)緊湊的前提下，柵形開槽和周期結(jié)構(gòu)改善了天線增益。在0.5~1.8 GHz頻段，增益提高近3 dB。在1.0~3.5 GHz內(nèi)，天線駐波系數(shù)小于2。將一對(duì)天線端對(duì)端進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明天線的傳輸函數(shù)具有平坦的群時(shí)延。天線的時(shí)域輻射波形也具有較低的拖尾振鈴。該天線具有低剖面、高增益、時(shí)域特性良好的特點(diǎn)，可以應(yīng)用于脈沖體制陣列雷達(dá)應(yīng)用中。

圖9 VSWR實(shí)測(cè)與仿真結(jié)果比較 圖10 天線增益實(shí)測(cè)與仿真結(jié)果比較

圖11 實(shí)測(cè)群時(shí)延 圖12 實(shí)測(cè)時(shí)域波形

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王友成： 男，1986年生，博士生，研究方向?yàn)闀r(shí)域超寬帶雷達(dá)天線設(shè)計(jì)及應(yīng)用.

董明宇： 女，1987年生，碩士，研究方向?yàn)殡娏白詣?dòng)化控制.

張 鋒： 男，1984年生，博士，研究方向?yàn)槌瑢拵炀€理論及應(yīng)用.

葉盛波： 男，1984年生，博士，研究方向?yàn)榛贔PGA探地雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì).

紀(jì)奕才： 男，1974年生，博士，研究方向?yàn)槌瑢拵炀€、計(jì)算電磁學(xué)、超寬帶雷達(dá).

方廣有： 男，1963年生，博士，研究員，研究方向?yàn)槌瑢拵Ю走_(dá)成像理論、方法與技術(shù)，月球與深空探測(cè)科學(xué)載荷技術(shù)，探地雷達(dá)、地球物理電磁勘探、太赫茲成像等方法與技術(shù).

張曉娟： 女，1964年生，研究員，研究方向?yàn)榉蔷鶆蛎劫|(zhì)電磁散射與逆問題、微波成像新方法及應(yīng)用、電磁遙感機(jī)理、電磁遙感信號(hào)處理、電磁遙感系統(tǒng)仿真、天線技術(shù).

Design of Tapered-slot Antenna with Optimized End-fire Characteristics

WANG Youcheng①②DONG Mingyu③ZHANG Feng①YE Shengbo①JI Yicai①FANG Guangyou①ZHANG Xiaojuan①

①(,,100190,);②(,100049,);③(,100085,)

Based on optimized geometry structure of tapered slot antenna, an end-fire printed antenna is designed with rectangular-grooved and periodic structure. Its effects on the radiation pattern of antenna is studied and simulated. From 1 GHz to 3.5 GHz, those structures improve the end-fire characteristics of the antenna obviously. Finally, pairs of antennas are constructed and measured. The measured results show that VSWR is smaller than 2 and the gain is approximately equal to 7 dBi from 1 GHz to 3.5 GHz. The measured transfer characteristics results show that the antenna achieves a stable group delay and a low late-time ring. The antenna can be applied to the impulse radar.

Antenna; Tapered-slot; Gain; Compact

TN957.2

A

1009-5896(2017)01-0124-05

10.11999/JEIT160203

2016-03-03；改回日期：2016-07-05；

2016-09-30

王友成 wangyoucheng99@163.com

國(guó)家863計(jì)劃項(xiàng)目(2012AA061403)，北京交通行業(yè)科技項(xiàng)目(7C1405473)

The National 863 Program of China (2012AA 061403), The Technical Program of Beijing Transportation Industry (7C1405473)