超寬帶脈沖輻射天線的饋源設(shè)計(jì)與優(yōu)化

孫 博，邱景輝，林 澍，鄧維波

(哈爾濱工業(yè)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院，哈爾濱 150001)

近年來，由于目標(biāo)識別、成像、反隱身和電子對抗等方面越來越高的要求，現(xiàn)代雷達(dá)及通訊設(shè)備的頻段及頻寬在不斷擴(kuò)展，因此作為系統(tǒng)中主要的能量輻射和接收裝置，超寬帶脈沖輻射天線成為國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)[1-2]．這類天線目前主要有加載振子天線[3]、TEM喇叭天線及其變形結(jié)構(gòu)[4]，以及反射面脈沖輻射天線等類型[5]．其中，反射面脈沖輻射天線以其增益高、定向性好等特點(diǎn)，成為目前應(yīng)用最廣泛的脈沖輻射天線．通常，反射面脈沖輻射天線由拋物面和饋源2部分組成，其中饋源部分是設(shè)計(jì)的重點(diǎn)．饋源主要包括4個(gè)圓錐共面的饋電臂以及阻抗變換饋電網(wǎng)絡(luò)．目前饋電臂的外形普遍設(shè)計(jì)成三角形[6]，但是此形狀的饋電臂與拋物面的連接處匹配性較差，從而限制了天線的阻抗帶寬，對天線增益也有影響．另外，從頻域的角度考慮，在超寬頻帶內(nèi)脈沖輻射天線的輸入阻抗約為200,Ω[7]，因此必須進(jìn)行饋電網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)．本文對脈沖輻射天線的饋源進(jìn)行設(shè)計(jì)與優(yōu)化，首先采用梭形饋電臂作為天線饋電結(jié)構(gòu)，通過 CST Microwave Studio?仿真軟件詳細(xì)研究了饋電臂邊界形狀和饋電臂間夾角對天線性能的影響；然后設(shè)計(jì)了能夠同時(shí)完成阻抗變換和不平衡-平衡轉(zhuǎn)換的饋電網(wǎng)絡(luò)；最后將饋電網(wǎng)絡(luò)與饋電臂結(jié)合形成天線饋源的整體結(jié)構(gòu)，制作了天線實(shí)物并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，驗(yàn)證了仿真分析的正確性．

1 天線結(jié)構(gòu)與原理

筆者設(shè)計(jì)的脈沖輻射天線基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，其饋電臂的饋電點(diǎn)位于拋物面的焦點(diǎn)處，為了有效利用拋物面口徑，令饋電臂的末端為拋物面的邊緣處上的點(diǎn)．為了減少連接處的不連續(xù)性，使饋電臂與反射面匹配良好，采用梭形饋電臂的設(shè)計(jì)；同時(shí)，將饋電臂所在平面垂直于拋物面口徑放置，以減少饋電臂對輻射的遮擋．

圖1 脈沖輻射天線模型示意Fig.1 Geometry of impulse radiating antenna

對脈沖輻射天線的研究可以從時(shí)域和頻域 2方面進(jìn)行分析．從時(shí)域的角度，脈沖輻射天線可以輻射短脈沖信號，其作用相當(dāng)于輸入波形的微分器．當(dāng)用一個(gè)快速上升的階躍脈沖激勵(lì)時(shí)，天線軸線處的輻射場近似為一個(gè)窄脈沖，遠(yuǎn)場輻射信號的電場可表示為式中：V(t)為激勵(lì)電壓波形；V0為激勵(lì)電壓波形的峰值，在定義為 Sa的口徑上對口徑場的切向分量做面積分．

對脈沖輻射天線時(shí)域性能的考察，主要為脈沖信號的保形性．通常用式(5)定義的波形保真系數(shù)進(jìn)行定量研究．

式中：x(t)為天線遠(yuǎn)場軸線處的輻射信號；y(t)是模板信號，這里取y(t)＝dV(t)/dt．遠(yuǎn)場區(qū)天線輻射的脈沖信號為空間和時(shí)間的函數(shù)，所以波形保真系數(shù)僅為空間角度的函數(shù)，對于本文所研究的天線來說，最重要的是天線軸線方向遠(yuǎn)場區(qū)的波形保真系數(shù)．波形保真系數(shù)表征了天線的輻射脈沖信號與輸入信號之間的相關(guān)性，完全無失真的情況下，ρ＝1；而輻射信號嚴(yán)重失真時(shí)，ρ?1．實(shí)際應(yīng)用中，信號不可能完全無失真，通常只要保證ρ≥0.9即可認(rèn)為信號正常輻射．

由于時(shí)域與頻域可以借助傅里葉變換相互映射，時(shí)域的短脈沖信號映射到頻域中可以覆蓋極寬的頻譜范圍，因此，從頻域的角度，脈沖輻射天線是一種超寬帶天線．考察其頻域特性時(shí)，首先要求其具備很寬的阻抗帶寬，同時(shí)為了增加輻射脈沖的峰值，要求天線具有較高的增益．

對于脈沖輻射天線的設(shè)計(jì)，由于時(shí)域的分析較為復(fù)雜，因此通常先分析脈沖輻射天線的頻域性能，考察其阻抗帶寬和增益，獲得良好的超寬帶特性后，再計(jì)算時(shí)域中輻射脈沖信號的波形保真系數(shù)，以保證天線可以較小失真地輻射脈沖信號．

2 天線的仿真分析

2.1 饋電臂邊界切削長度的影響

對于脈沖輻射天線普遍采用的三角形饋電臂設(shè)計(jì)，隨著距饋電點(diǎn)距離的增大，饋電臂上的電流密度呈現(xiàn)減小的趨勢，但是饋電臂末端與拋物面邊緣相接處的電流密度較大，該電流主要是由于饋電臂的邊界形狀引起的，對天線的阻抗及輻射特性有較大影響[9]．將饋電臂邊界形狀設(shè)計(jì)為梭形結(jié)構(gòu)可以改變?nèi)切勿侂姳鄣锥穗娏鞣e聚的條件，從而降低能量聚集，擴(kuò)展天線的帶寬．梭形饋電臂終端的形狀對天線性能的影響非常關(guān)鍵，設(shè)饋電點(diǎn)與梭形饋電臂切削點(diǎn)之間距離為 L，如圖 1(a)所示．分別取 L＝200,mm(L＜F)、L＝222,mm(L＝F)和 L＝240,mm(L＞F)對天線進(jìn)行仿真研究．圖 2(a)為取不同 L值時(shí)天線的反射損耗，可以看出，L＝F時(shí)，天線阻抗帶寬最寬，滿足反射損耗低于-10,dB的頻帶寬度可以達(dá)到 1.2～16.7,GHz；L＞F時(shí)，天線低頻段起始工作頻率與 L＝F時(shí)相差不大，高頻段性能變差，阻抗帶寬減小，但仍可工作于 1.6～16.1,GHz的超寬頻帶；L＜F時(shí)，反射損耗值變化非常劇烈，工作帶寬最窄．圖 2(b)為取不同L值時(shí)天線的增益．由圖可見，3種情況下，天線的增益均隨頻率的增大而增大，低頻段增益數(shù)值相差不大，高頻段 L＞F時(shí)增益值比 L＝F時(shí)稍低，而 L＜F時(shí)增益雖略高但曲線起伏較大，在整個(gè)頻段內(nèi)，L＝F時(shí)增益值隨頻率變化最為平緩．

圖2 不同L的仿真結(jié)果Fig.2 Simulation results of different L

綜上可知，對于梭形饋電臂的設(shè)計(jì)，切削長度 L的變化對天線低頻段性能影響較小，而對高頻段影響非常明顯．當(dāng)選取合適的切削長度 L＝F時(shí)，不僅能夠獲得極寬的阻抗帶寬，同時(shí)也能獲得穩(wěn)定的高增益值．

2.2 電臂間夾角的影響

脈沖輻射天線采用 4個(gè)圓錐共面的饋電臂共同作用為拋物面進(jìn)行饋電，因此饋電臂之間的夾角度數(shù)也是影響天線性能的重要因素．以第2.1節(jié)中得到的天線模型為基礎(chǔ)，研究饋電臂間夾角度數(shù)對天線輻射性能的影響，分別取 φ0＝10°、20°、30°、45°和 60°進(jìn)行仿真分析．

圖3(a)顯示了采用不同φ0時(shí)天線反射損耗的仿真結(jié)果．可以看出，φ0從 10°增大到 45°時(shí)，天線低頻段性能相差不大，高頻段略有差異，滿足反射損耗低于-10,dB 的阻抗帶寬先增大后減小，φ0＝20°時(shí)天線阻抗帶寬最寬，達(dá)到 0.96～18.7,GHz；當(dāng) φ0增大到60°時(shí)，天線低頻段和高頻段的性能均明顯變差，阻抗帶寬進(jìn)一步變窄．

圖3(b)為天線增益的仿真結(jié)果．由圖可見，當(dāng)φ0在10°～30°之間變化時(shí)，天線增益值在低頻段相差不大，高頻段有差別，總體而言增益值較高；當(dāng) φ0增大到 45°和 60°時(shí)，天線增益逐漸變小，且高頻段增益起伏非常明顯；在整個(gè)頻段內(nèi)，φ0＝20° 時(shí)天線增益值最大．

圖3 不同φ0的仿真結(jié)果Fig.3 Simulation results of different φ0

綜上可知，φ0的取值在小于 45°的一定范圍內(nèi)時(shí)，天線整體性能較好，可工作于超寬頻帶，并可獲得很大增益；當(dāng) φ0值增大至 45°以上時(shí)，天線性能明顯變差．對于本文設(shè)計(jì)的 L＝F梭形饋電臂，φ0＝20°為最優(yōu)值．

2.3 線輻射性能分析

根據(jù)以上仿真分析得到的參數(shù)最佳值建立模型，圖 4為設(shè)計(jì)的梭形饋電臂超寬帶脈沖輻射天線分別在2,GHz、8,GHz、14,GHz和20,GHz時(shí)歸一化方向圖的仿真結(jié)果．從圖中可以看出，該天線在其主輻射方向波束寬度較窄，具有非常好的定向性；在各頻點(diǎn) E面和H面的波束寬度相近，口徑場均勻．

從時(shí)域特性來看，由于脈沖輻射天線的作用相當(dāng)于一個(gè)微分器，采用高斯脈沖激勵(lì)時(shí)，在天線遠(yuǎn)場軸線處得到的應(yīng)該是微分高斯脈沖．圖 5顯示了遠(yuǎn)場輻射波形與微分高斯脈沖模板信號波形的比較，可以看出二者非常相似，經(jīng)計(jì)算可得脈沖波形保真系數(shù)為0.93，說明信號可以較小失真地輻射，天線時(shí)域性能良好．

圖4 天線的歸一化方向Fig.4 Normalization radiation pattern of the antenna

圖5 天線遠(yuǎn)場輻射波形Fig.5 Radiation waveform of the antenna

2.4 饋電網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

脈沖輻射天線的4個(gè)饋電臂為平衡對稱結(jié)構(gòu)，其輸入阻抗約為 200,Ω，當(dāng)采用 50,Ω 同軸線(不對稱線)饋電時(shí)，必須考慮饋電網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)，此饋電網(wǎng)絡(luò)需要同時(shí)完成不平衡-平衡轉(zhuǎn)換以及阻抗變換的要求．由于天線工作于超寬頻帶，所以饋電網(wǎng)絡(luò)的阻抗變換部分也應(yīng)該是超寬帶的．筆者設(shè)計(jì)了一種雙面指數(shù)漸變微帶線-雙線超寬帶巴倫，其基本結(jié)構(gòu)如圖6所示．此巴倫的始端為微帶線結(jié)構(gòu)，這種不平衡結(jié)構(gòu)的傳輸線便于采用同軸線饋電；中段地板和上帶條同時(shí)采用指數(shù)漸變結(jié)構(gòu)，達(dá)到阻抗變換的目的；末端地板與上帶條變化為相同寬度，形成平衡的平行雙線結(jié)構(gòu)，可以與天線相接，這樣就同時(shí)實(shí)現(xiàn)了阻抗匹配與平衡-不平衡變換．

選取相對介電常數(shù) εr＝2.32、厚度為2,mm 的聚四氟乙烯板作為基片，經(jīng)過仿真優(yōu)化得到超寬帶巴倫的最終參數(shù)為：長度L＝200,m，始端上帶條寬度W1＝6,mm，微帶地板寬度 W2＝30,mm，末端平行雙線寬度W＝0.8,mm．圖7為巴倫的反射損耗和插入損耗的仿真結(jié)果，可以看出，該超寬帶巴倫可以在 0.9～20,GHz的頻帶范圍內(nèi)滿足反射損耗低于-10,dB，同時(shí)在此頻帶內(nèi)插入損耗|S21|＞-0.6,dB，性能良好．

3 實(shí) 驗(yàn)

根據(jù)理論分析及仿真研究結(jié)果，加工制作了脈沖輻射天線實(shí)物，如圖 8(a)和(b)所示．其中饋電網(wǎng)絡(luò)與饋電臂按照圖 8(c)所示連接起來，即饋電網(wǎng)絡(luò)的上帶條末端接1、4饋電臂，同時(shí)饋電網(wǎng)絡(luò)的地板末端接 2、3饋電臂，從而形成了天線饋源的整體結(jié)構(gòu)，可通過 50,Ω的 SMA接頭直接饋電．饋電臂末端與拋物面直接相接，在固定饋電臂時(shí)采用如下方法：①使用相對介電常數(shù)與空氣接近的泡沫貼于拋物面邊緣處對梭形饋電臂進(jìn)行固定；②在拋物面與4個(gè)饋電臂的末端接觸處鉆 4個(gè)小孔，將饋電臂末端深入孔中，以提高連接的可靠性．利用 ANRITSU 37247D矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀在標(biāo)準(zhǔn)微波暗室中對天線進(jìn)行了測量．

圖8 超寬帶脈沖輻射天線實(shí)物模型Fig.8 Entity of the ultra-wideband impulse radiatingantenna

圖 9是天線反射損耗的測量結(jié)果與仿真結(jié)果的比較．從圖中可以看出，實(shí)測值滿足反射損耗低于-10,dB 的頻帶寬度為 0.97～18.8,GHz，與仿真結(jié)果變化趨勢一致．圖10和圖11為工作頻率分別為2,GHz、8,GHz和 14,GHz的天線歸一化方向圖測量結(jié)果．從圖中可以看出，天線主瓣的測量結(jié)果與仿真計(jì)算結(jié)果吻合得較好，副瓣電平存在一些差異，主要由于測試環(huán)境中金屬轉(zhuǎn)臺的影響造成的；另外，由于天線饋電臂加工及安裝的誤差導(dǎo)致各個(gè)饋電臂所在平面并不完全垂直于拋物面口徑，也會造成副瓣測試誤差較大，但是對主瓣的測試結(jié)果影響不大．在2,GHz、8,GHz和 14,GHz下增益的測量值分別為 15.4,dB、27.9,dB 和 30.1,dB，與仿真結(jié)果 16.3,dB、29.2,dB 和32.6,dB相近．

圖10 天線歸一化方向圖測量與仿真結(jié)果比較(E面)Fig.10 Comparison of the normalization radiation pattern be-Fig.10 tween measurement and simulation results(section E)

圖11 天線歸一化方向圖測量與仿真結(jié)果比較(H面)Fig.11 Comparison of the normalization radiation pattern between measurement and simulation results (section H)

4 結(jié) 語

本文對超寬帶脈沖輻射天線的饋源進(jìn)行設(shè)計(jì)與優(yōu)化，以梭形饋電臂為基礎(chǔ)，詳細(xì)比較了不同切削長度時(shí)天線的性能，通過電磁仿真得到最佳切削長度為L＝F．研究了饋電臂之間夾角度數(shù)對天線性能的影響，仿真結(jié)果表明，當(dāng) φ0＝20°時(shí)，可以有效改善天線的性能，擴(kuò)展天線阻抗帶寬并提高天線增益．優(yōu)化后的天線整體性能良好，脈沖信號拖尾較小，信號保形性好．為滿足阻抗變換和不平衡-平衡轉(zhuǎn)換的要求，詳細(xì)設(shè)計(jì)了天線的饋電網(wǎng)絡(luò)．根據(jù)仿真優(yōu)化后的參數(shù)制作了天線實(shí)物，實(shí)測結(jié)果表明，該天線反射損耗值低于-10 dB的頻率范圍達(dá)到0.97～18.8 GHz，且具有增益高、定向性好等優(yōu)點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于超寬帶通信、脈沖雷達(dá)以及無線電監(jiān)測與管理等系統(tǒng)．

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