電-磁振子組合型UWB天線

有關(guān)超寬帶輻射天線小型化研究的文獻(xiàn)報(bào)道不多見。俄羅斯在小型化多通道天線[1]方面有 一些實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)研究為主，應(yīng)用也十分有限。由于瞬態(tài)激勵(lì)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(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬，采用頻域和時(shí)域測(cè)量相結(jié)合的方法，對(duì)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(lì)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(shí)產(chǎn)生反射波和熱耗（由于激勵(lì)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(shí)也產(chǎn)生反射波。

圖2 激勵(lì)脈沖波形 圖3 激勵(lì)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(lì)信號(hào)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(duì)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(duì)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(duì)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(chǎng)是若干偶極子場(chǎng)的矢量疊加。其時(shí)域輻射場(chǎng)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(zhǎng)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(shí)，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(chǎng)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(gè)天線振子形成電-磁振子互補(bǔ)輻射[3]，從而降低天線的輻射電阻對(duì)信號(hào)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(gè)輻射器的空間瞬態(tài)輻射場(chǎng)相互疊加，最大限度地提高天線的輻射效率。

2 模擬計(jì)算

在以上分析的基礎(chǔ)上，利用數(shù)值模擬軟件對(duì)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(shí)驗(yàn)結(jié)果

通過模擬與分析，優(yōu)化設(shè)計(jì)了一付長(zhǎng)、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(shí)域測(cè)量方法對(duì)天線進(jìn)行了測(cè)試。

圖8為采用安立的 失量網(wǎng)絡(luò)分析儀MS4623B所測(cè)得的天線駐波曲線、阻抗圓圖和時(shí)域反射測(cè)量曲線。 頻域測(cè)量的結(jié)果表明，該天線在100MHz~1GHz的10倍頻程內(nèi)，天線的駐波系數(shù)小于3，與數(shù)值模擬的結(jié)果基本吻合。從時(shí)域測(cè)量曲線圖8（c）看出： 天線最 圖7 電-磁振子組合型UWB天線

大反射點(diǎn)在饋源輸出端。

圖8 MS4623B失網(wǎng)測(cè)量結(jié)果

圖9為天線饋入超寬帶脈沖信號(hào)時(shí)，用Tek TDS684測(cè)量到的入射脈沖、反射脈沖和輻射場(chǎng)脈沖波形。其中，激勵(lì)脈沖信號(hào)底寬約為2ns，前沿為350ps，峰值電壓為150V。入射信號(hào)與反射信 號(hào)采用無感電容分壓器（分壓比為100:1），輻射場(chǎng)測(cè)量采用帶寬為80MHz~2GHz、有效高度為6.1cm的TEM喇叭測(cè)量天線，測(cè)量點(diǎn)位于天線最 大輻射方向距離口面10m處。測(cè)得反射波最大正峰29.8V、最大負(fù)峰為-35.6V，測(cè)點(diǎn)的電場(chǎng)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(lì)脈沖能量，Wref為天線反射脈沖的能量)。

圖9 時(shí)域測(cè)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(bǔ)狀態(tài)來實(shí)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(shí)域方法，而用頻域方法研究天線的結(jié)構(gòu)和特性相對(duì)容易，它為天線的時(shí)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(jì)算時(shí)，由于計(jì)算資源的限制以及建立的模型與實(shí)際天線間有較大的差異，從而造成了計(jì)算與測(cè)量結(jié)果之間的誤差。