電-磁振子組合型UWB天線的設(shè)計與測量
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有關(guān)超寬帶輻射天線小型化研究的文獻(xiàn)報道不多見。俄羅斯在小型化"多通道天線"[1]方面有一些實驗研究結(jié)果。但這種天線及其陣列[2]的理論研究有一定難度，目前主要以實驗研究為主，應(yīng)用也十分有限。由于瞬態(tài)激勵脈沖具有寬頻帶特征，鑒于此，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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(kuò)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(jìn)行了模擬，圖5、圖6為數(shù)值模擬結(jié)果。
（a） 天線駐波曲線 （b） 天線輸入阻抗圓圖
圖5 50cm電-磁振子組合型天線模擬結(jié)果
圖 6 不同頻率下50cm電-磁振子組合型UWB天線在θ=900和φ=900平面的方向圖
3 實驗結(jié)果
通過模擬與分析，優(yōu)化設(shè)計了一付長、寬、高尺寸均為50cm的電-磁振子組合型UWB天線（如圖7所示），并用頻域和時域測量方法對天線進(jìn)行了測試。
圖8 MS4623B失網(wǎng)測量結(jié)果
圖9為天線饋入超寬帶脈沖信號時，用Tek TDS684測量到的入射脈沖、反射脈沖和輻射場脈沖波形。其中，激勵脈沖信號底寬約為2ns，前沿為350ps，峰值電壓為150V。入射信號與反射信號采用無感電容分壓器（分壓比為100:1），輻射場測量采用帶寬為80MHz~2GHz、有效高度為6.1cm的TEM喇叭測量天線，測量點位于天線最大輻射方向距離口面10m處。測得反射波最大正峰29.8V、最大負(fù)峰為-35.6V，測點的電場強(qiáng)度為24.6V/m。求得該天線輻射效率Kw=Wr/Wg=60%(Wr=Wg-Wref為天線的輻射能，Wg為激勵脈沖能量，Wref為天線反射脈沖的能量)。
圖9 時域測量波形
4 結(jié)論及存在的問題
通過以上分析和研究得出：電-磁振子組合型天線利用電流環(huán)與TEM喇叭的互補狀態(tài)來實現(xiàn)帶寬擴(kuò)展，天線結(jié)構(gòu)參數(shù)調(diào)整合適，小型化UWB天線能夠做到帶寬寬、輻射效率高；盡管天線尺寸小，由于采用同軸過渡饋電結(jié)構(gòu)，可以解決高功率UWB脈沖饋電難的問題；天線結(jié)構(gòu)和瞬態(tài)脈沖輻射問題比較復(fù)雜，不宜直接和完全采用時域方法，而用頻域方法研究天線的結(jié)構(gòu)和特性相對容易，它為天線的時域特性研究創(chuàng)造了條件。
存在的問題是：由于天線結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，天線各部分電流分布的求解相當(dāng)困難，另外，在進(jìn)行電-磁振子組合型天線模擬計算時，由于計算資源的限制以及建立的模型與實際天線間有較大的差異，從而造成了計算與測量結(jié)果之間的誤差。
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