電-磁振子組合型超寬帶UWB天線的特性研究

　　本文從電-磁組合型天線的物理結(jié)構(gòu)分析入手，結(jié)合實驗和數(shù)值模擬，采用頻域和時域測量相結(jié)合的方法，對電-磁組合型天線的特性進行了研究。

　　1 理論分析

　　1.1 天線結(jié)構(gòu)

　　圖1為電-磁振子組合型超寬帶天線結(jié)構(gòu)示意圖[2]。圖中所示：①為天線同軸饋電區(qū);②為外導(dǎo)體板;③為電流環(huán)調(diào)節(jié)器;④為TEM喇叭上極板;⑤為TEM喇叭下極板。

　　圖1 電-磁振子組合型UWB天線結(jié)構(gòu)示意圖

　　1.2 天線物理結(jié)構(gòu)及其特性分析

　　天線的物理結(jié)構(gòu)與天線性能有比較密切的關(guān)系。輻射天線的輸入阻抗與超寬譜脈沖源的特性阻抗的失配，造成天線饋源處不同程度地反射。從圖1所示的天線結(jié)構(gòu)形式來看，激勵脈沖(如圖2)進入同軸饋電區(qū)后，具有寬頻帶特征(如圖3)的脈沖電流饋入天線。一部分電流通過①、③、②構(gòu)成的電流環(huán)(或磁振子)向自由空間輻射,同時產(chǎn)生反射波和熱耗(由于激勵脈沖的上限頻率較低，天線的熱損耗一般可不予考慮);另一部分電流通過①、④、⑤構(gòu)成的阻抗?jié)u變型TEM喇叭(主要表現(xiàn)為電振子輻射器)向自由空間輻射，同時也產(chǎn)生反射波。

　　圖2 激勵脈沖波形 圖3 激勵脈沖頻譜

　　根據(jù)以上分析，可以得到該天線等效電路，如圖4所示。其中Rring、Rtrumpet分別為天線的磁振子(電流環(huán))與電振子(TEM喇叭)的輻射電阻，二者與激勵信號的頻率f成非線性關(guān)系。

　　圖4 電-磁振子天線等效電路圖

　　天線中的電流環(huán)為并聯(lián)諧振回路，隨著頻率的提高，電流環(huán)由低頻短路負(fù)載逐漸轉(zhuǎn)變成為以磁振子為主的輻射器，磁振子的輻射電阻Rring也相應(yīng)增加。對低頻而言，電流環(huán)為小環(huán)輻射器，相當(dāng)于磁基本振子，其輻射特性等同于磁基本振子;而對高頻而言，它又相當(dāng)于大電流環(huán)輻射器，可以應(yīng)用大電流環(huán)輻射理論來分析其輸入特性和輻射特性。

　　在電-磁振子組合型超寬帶天線中，TEM喇叭相當(dāng)于串聯(lián)諧振回路。隨著頻率的提高，TEM喇叭由低頻開路負(fù)載逐漸轉(zhuǎn)變成以電振子為主的輻射器，電振子的輻射電阻Rtrumpet也隨之變化。對低頻而言，TEM喇叭最基本的物理模型為偶極子天線，它的輻射場是若干偶極子場的矢量疊加。其時域輻射場表達(dá)式[4]為：

　　其中：f(g)為TEM喇叭特性阻抗與自由空間阻抗的比值，δ(a)(t)為沖擊函數(shù)，h為喇叭口面高度，l為喇叭長度，V0 為饋入天線的階躍電壓的幅值。

　　隨著頻率的進一步提高，TEM喇叭再轉(zhuǎn)變成為高頻短路負(fù)載。當(dāng)頻率f很高時，TEM喇叭電振子和電流環(huán)磁振子均嚴(yán)重失諧，分別處于短路和開路狀態(tài)。造成饋源處較大反射。

　　電-磁振子組合型超寬帶天線中電振子與磁振子的遠(yuǎn)區(qū)輻射場同為垂直極化波。通過調(diào)整磁振子與電振子的參數(shù)Lring、Ctrumpet以及相位中心距，使兩個天線振子形成電-磁振子互補輻射[3]，從而降低天線的輻射電阻對信號頻率的依賴，擴展了天線的工作頻帶，降低了天線負(fù)載的不匹配所造成的反射，而且還能使兩個輻射器的空間瞬態(tài)輻射場相互疊加，最大限度地提高天線的輻射效率。

　　2 模擬計算

　　在以上分析的基礎(chǔ)上，利用數(shù)值模擬軟件對50x50x50cm3的電-磁振子組合型超寬帶天線進行了模擬，圖5、圖6為數(shù)值模擬結(jié)果。

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