超宽带定向天线的设计与仿真概要.docx
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超宽带定向天线的设计与仿真概要
超宽带定向天线的设计与仿真
邱景辉孙博李高飞邓维波
（哈尔滨工业大学电子与信息工程学院,哈尔滨150001
纲要:
本文设计了一种超宽带定向天线。
利用抛物面天线作为该超宽带定向天线的原型,将抛物面天线的馈电部分设计为指数渐变形式。
给出了该超宽带定向天
线的设计思想和设计方法,并对该天线进行了仿真剖析。
仿真结果表示,该天线拥有特别宽的阻抗带宽和较高的天线增益,且其波束宽度很窄,天线定向特征很好。
这类超宽带定向天线特别合用于超宽带通信、超宽带雷达以及无线电数据监测与管理系统等领域,拥有特别广阔的应用远景。
要点词:
超宽带天线,定向天线,抛物面天线,指数渐变,高增益
DesignandSimulationofUltra-WidebandDirectionalAntenna
QiuJinghuiSunBoLiGaofeiDengWeibo
（SchoolofElectronicsandInformationEngineering,HarbinInstituteofTechnology,Harbin150001
Abstract:
Inthispaper,anultra-widebanddirectionalantennawasdesigned.Paraboloidantennawasadoptedastheprototypeofthisantenna,andfeedarmsofparaboloidantennaweredesignedtoexponentialtaperedform.Thedesignmethodofthisultra-widebanddirectionalantennawasgiven.Andelectromagneticsimulationandanalyseswereperformed.Simulationresultsindicatethatthisantennahasanextremelywideimpedancebandwidthandhighgain.Thebeamwidthofthisantennaisnarrowandthedirectivityisverygood.Thenovelultra-widebandparaboloidantennaissuitableforultra-widebandcommunication,ultra-widebandradar,andradiodatamonitorandmanagesystems,andithasbroadapplicationprospects.
Keywords:
Ultra-widebandantenna;Directionalantenna;Paraboloidantenna;
Exponentialtaperedline;Highgain
1前言
最近几年来,现代雷达及通信设施的频段及频宽在不停扩展,原有的射电频谱变得特别拥堵,人们急需一种新技术为无线通信开拓一片新天地,超宽带技术恰巧拥有解决这一问题的潜力[1,2]。
同时,出于增添辐射功率的有效利用率、增添保密性以及增添抗扰乱能力等要求,又需要天线拥有很好的定向性。
抛物面天线是一种常有的定
向微波天线,其设计的要点在于馈源的设计。
按指数规律渐变的Vivaldi天线是一种超宽带天线,它拥有非周期连续渐变的构造,理论上讲,它不单拥有很宽的频带,并且增益较高[3]。
本文提出的超宽带定向天线,利用Vivaldi天线与共面横电磁（Transverseelectromagnetic,简称TEM传输线相联合的形式,作为抛物面天线的馈电构造,即从馈电臂极点处开始以指数渐变过渡到与抛物面连结处。
文中第一对该超宽带定向天线
的基来源理和设计方法进行研究,而后利用CST-MicrowaveStudio?
仿真软件进行电磁仿真,详尽剖析了该天线的阻抗特征和辐射特征,经过一系列数值结果和理论剖析证了然这类超宽带定向天线的优秀特征。
2天线的工作原理
本文设计的超宽带定向天线的基本构造如图1所示,它是由一个抛物面和四个圆锥共面的TEM传输线馈电臂组成,馈电臂的馈电点位于抛物面的焦
点处,馈电臂的尾端与抛物面的边沿处相接。
从理论上讲,在圆锥对称馈电构造上流传的非平均球面波、经过抛物面的反射,在近场变换成近似的平面波。
此超宽带定向天线能够进行大口径辐射,辐射能量在时间和空间上都很集中,且背向辐射很
小[4]。
图1超宽带定向天线的基本构造
超宽带定向天线将非色散的TEM馈电构造和聚焦口径面相联合,它的作用就像
是所用电压波形时间重量的微分器。
当用一个迅速上涨的阶跃脉冲激励时,天线视
轴处的辐射场近似为一个窄脉冲。
天线远场辐射信号的电场可表示为:
（（（0,,2a
S
radExydxdydVtErtVrcdt
π=
∫∫其（1中,V（t是激励电压波形,V0是激励电压波形
的峰值,在定义为Sa的口径上对TEM模的横向重量做面积分。
刹时辐射场也能够用TEM传输线归一化阻抗fg和口径高度ha来表示,发射和接收的峰值波形
为:
（2aradghdV
Etrcfdtπ=-（（recaincVthEt=-（2
此中,Erad和Einc分别为辐射场和入射场主要重量的幅度。
TEM传输线归一化阻抗
glinemedfZZ=（3
口径高度
（0
a
gaSfhExydxdyV=-
∫∫
（4
在高频段,抛物面的口面直径起码为几个波长,所以能够从射线-光学角度对相位进行修正。
可是,在低频段,天线构造的电尺寸很小,不可以再用射线-光学法剖析,一定采纳其余方法[5]。
比如,在低频剖析该天线时,能够认为传输线尾端连结的抛物面是一个电流环,这样的构造能够像均衡传输线波（Balancedtransmission-linewave简,称BTW天线那样辐射。
一个BTW天线使用每个终端都般配加载的
均衡传输线,当传输线长度不再远小于波长时,辐
射便依据与BTW天线相像的方式产生。
假如在传输线终端的适合地点进行中
断,辐射将会指向源端方向,轴向的辐射场就是抛物面口径所产生的远区场,这类低频近似方法在传输线长度小于等于λ/2时π仍旧有效[6]。
3天线馈电臂的设计
Vivaldi天线是一种按指数规律渐变的宽带空隙天线。
自馈电点开始,天线的空隙宽度渐渐增大,形成喇叭口状向外辐射或向内接收电磁波;不一样的工作频点对应相应的λ/2宽度的空隙辐射（λ为该频点的波长。
此天线构造决定了Vivaldi天线不单
具备很宽的工作频带,并且拥有较高的天线增益。
本文设计的超宽带定向天线,采纳Vivaldi天线与共面TEM传输线相联合的形式,作为抛物面天线的馈电构造,即从馈电臂极点处开始以指数渐变的方式过渡到与抛物面连结处。
将抛物面天线的馈电臂做成指数渐变形式,第一要考虑指数渐变曲线的表达式,
其次是其如何与馈电臂联合。
指数渐变曲线的表达式为
12axycec=+（5
式中,α是指数渐变率,21
21
1xxyyCeeαα-=-,
21
21
122xxxxyeyeCee
αααα-=-,P1（x1,x和2P2（x1,x2为指数渐变曲线的起点和终点。
将此指数渐变曲线与馈电臂联合,令起点为抛物面的焦点,终点为抛物面边沿上的点,给定指数渐
变率α的值,即可获得确立的指数渐变曲线,依据此曲线即可设计获得馈电臂的形状,
图2为指数渐变形式馈电臂的表示图。
图2超宽带定向天线的馈电臂形状表示图
4天线的仿真与剖析
本文采纳鉴于时域有限积分法的高频电磁场仿真软件CSTMicrowaveStudio?
对天线进行仿真分
析,依据图1和图2成立模型。
在仿真过程中发现,关于本文设计的超宽带定向天线,馈电臂的指数渐变率α以及每个馈电臂与x轴的夹角度数φ0是影响天线性能
的主要参数,经过多组参数调整,综合考虑天线的尺寸参数和性能指标,最后确立天线的参数为:
口面直径D=60cm,焦径比F/D=0.38的抛物面,馈电臂指数渐变率α=0.1,每个馈电臂与x轴的夹角为70°。
以此参数模型为基础详尽地仿真研究了该天线的阻抗特征和辐射特征。
天线的电压驻波比（VoltageStandingWaveRatio,简称VSWR是超宽带天线的一个重要性能参数,它反应了天线的阻抗特征,也将决定天线的阻抗带宽。
图3给出
了该超宽带定向天线的电压驻波比随频次变化的仿真结果。
从图中能够看出,该天线的阻抗带宽特别宽,在1-35GHz的频次范围内VSWR<2,这类超宽带定向天线拥有35:
1的阻抗带宽。
图3超宽带定向天线的电压驻波比
关于超宽带定向天线而言,工作频带内的波束宽度和增益是权衡其辐射性能好
坏的重要指标。
图4为本文设计的超宽带定向天线分别在2GHz、10GHz、20GHz
和30GHz时辐射方向图的仿真结果。
从图中能够看出,超宽带定向天线在其主辐射方向波束宽度很窄,拥有特别好的定向性;并且在各频点E面和H面的波束宽度邻近,
口径场平均。
图4超宽带定向天线的辐射方向图
图5是该超宽带天线的增益随频次的变化关系。
从该图能够看出,在1-35GHz
的频次范围内,随频次的高升,增益体现增大的趋向,在整个频带内最大增益可达
41.3dB。
图5超宽带定向天线的增益
5结论
本文设计了一种超宽带定向天线,利用抛物面天线作为该超宽带定向天线的原
型,采纳指数渐变形式的馈电臂作为抛物面天线的馈源。
仿真结果表示,该天线拥有特别宽的阻抗带宽和较高的天线增益,且其波束宽度很窄,天线定向特征很好。
所以,可宽泛应用于超宽带通信、超宽带雷达以及无线电数据监测与管理等多种应用领
域。
别的,本文提到的超宽带定向天线的设计方法,能够为有关科研人员在超宽带天线或定向天线设计等方面供给有价值的参照。
参照文件
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1093-1099
作者简介:
邱景辉,男,教授、博士生导师,主要研究领域为天线理论及小型化技术、超宽带天线技术,微波毫米波遥感技术、RFID技术、微波毫米波电路与系统等;
孙博,女,博士研究生,主要研究领域为超宽带天线技术、RFID技术等。
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