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电-磁振子组合型UWB天线的设计与测量
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摘 要 ：本文结合电-磁振子组合型UWB天线的设计，采用频域分析的方法对该天线的物理特性进行了研究，得出：天线中的电振子和磁振子在波的传输和辐射过程中的互补作用，扩展了小尺寸天线的工作频带、提高了天线的辐射效率。本文还给出了一付尺寸为50cm天线的模拟和测量结果，电压驻波比小于3时，天线带宽大于10倍频程，模拟计算与测量结果基本吻合。 关键词 ：小型化
UWB（超宽带）天线 频域分析法 电-磁振子
由于工程实际的需要，高效率的小型化超宽带高功率微波天线成为研究的热点。对于高功率的小型化天线而言，其技术难点主要体现在两个方面：一是天线辐射效率低。二是天线馈电反射大、绝缘难。
有关超宽带辐射天线小型化研究的文献报道不多见。俄罗斯在小型化"多通道天线"[1]方面有一些实验研究结果。但这种天线及其阵列[2]的理论研究有一定难度，目前主要以实验研究为主，应用也十分有限。由于瞬态激励脉冲具有宽频带特征，鉴于此，本文从电-磁组合型天线的物理结构分析入手，结合实验和数值模拟，采用频域和时域测量相结合的方法，对电-磁组合型天线的特性进行了研究。
1 理论分析
1.1
天线结构
图1为电-磁振子组合型超宽带天线结构示意图[2]。图中所示：①为天线同轴馈电区；②为外导体板；③为电流环调节器；④为TEM喇叭上极板；⑤为TEM喇叭下极板。
图1 电-磁振子组合型UWB天线结构示意图1.2 天线物理结构及其特性分析
天线的物理结构与天线性能有比较密切的关系。辐射天线的输入阻抗与超宽谱脉冲源的特性阻抗的失配，造成天线馈源处不同程度地反射。从图1所示的天线结构形式来看，激励脉冲（如图2）进入同轴馈电区后，具有宽频带特征（如图3）的脉冲电流馈入天线。一部分电流通过①、③、②构成的电流环（或磁振子）向自由空间辐射,同时产生反射波和热耗（由于激励脉冲的上限频率较低，天线的热损耗一般可不予考虑）；另一部分电流通过①、④、⑤构成的阻抗渐变型TEM喇叭（主要表现为电振子辐射器）向自由空间辐射，同时也产生反射波。
图2 激励脉冲波形 图3 激励脉冲频谱根据以上分析，可以得到该天线等效电路，如图4所示。其中Rring、Rtrumpet分别为天线的磁振子（电流环）与电振子（TEM喇叭）的辐射电阻，二者与激励信号的频率f成非线性关系。
图4 电-磁振子天线等效电路图天线中的电流环为并联谐振回路，随着频率的提高，电流环由低频短路负载逐渐转变成为以磁振子为主的辐射器，磁振子的辐射电阻Rring也相应增加。对低频而言，电流环为小环辐射器，相当于磁基本振子，其辐射特性等同于磁基本振子；而对高频而言，它又相当于大电流环辐射器，可以应用大电流环辐射理论来分析其输入特性和辐射特性。
在电-磁振子组合型超宽带天线中，TEM喇叭相当于串联谐振回路。随着频率的提高，TEM喇叭由低频开路负载逐渐转变成以电振子为主的辐射器，电振子的辐射电阻Rtrumpet也随之变化。对低频而言，TEM喇叭最基本的物理模型为偶极子天线，它的辐射场是若干偶极子场的矢量叠加。其时域辐射场表达式[4]为：
其中：f(g)为TEM喇叭特性阻抗与自由空间阻抗的比值，δ(a)(t)为冲击函数，h为喇叭口面高度，l为喇叭长度，V0 为馈入天线的阶跃电压的幅值。
随着频率的进一步提高，TEM喇叭再转变成为高频短路负载。当频率f很高时，TEM喇叭电振子和电流环磁振子均严重失谐，分别处于短路和开路状态。造成馈源处较大反射。
电-磁振子组合型超宽带天线中电振子与磁振子的远区辐射场同为垂直极化波。通过调整磁振子与电振子的参数Lring、Ctrumpet以及相位中心距，使两个天线振子形成电-磁振子互补辐射[3]，从而降低天线的辐射电阻对信号频率的依赖，扩展了天线的工作频带，降低了天线负载的不匹配所造成的反射，而且还能使两个辐射器的空间瞬态辐射场相互叠加，最大限度地提高天线的辐射效率。
2 模拟计算
在以上分析的基础上，利用数值模拟软件对50x50x50cm3的电-磁振子组合型超宽带天线进行了模拟，图5、图6为数值模拟结果。
（a） 天线驻波曲线 （b） 天线输入阻抗圆图图5 50cm电-磁振子组合型天线模拟结果图 6 不同频率下50cm电-磁振子组合型UWB天线在θ=900和φ=900平面的方向图3 实验结果
通过模拟与分析，优化设计了一付长、宽、高尺寸均为50cm的电-磁振子组合型UWB天线（如图7所示），并用频域和时域测量方法对天线进行了测试。
图8为采用安立的失量网络分析仪MS4623B所测得的天线驻波曲线、阻抗圆图和时域反射测量曲线。 频域测量的结果表明，该天线在100MHz~1GHz的10倍频程内，天线的驻波系数小于3，与数值模拟的结果基本吻合。从时域测量曲线图8（c）看出：天线最 图7 电-磁振子组合型UWB天线
大反射点在馈源输出端。
图8 MS4623B失网测量结果图9为天线馈入超宽带脉冲信号时，用Tek TDS684测量到的入射脉冲、反射脉冲和辐射场脉冲波形。其中，激励脉冲信号底宽约为2ns，前沿为350ps，峰值电压为150V。入射信号与反射信号采用无感电容分压器（分压比为100:1），辐射场测量采用带宽为80MHz~2GHz、有效高度为6.1cm的TEM喇叭测量天线，测量点位于天线最大辐射方向距离口面10m处。测得反射波最大正峰29.8V、最大负峰为-35.6V，测点的电场强度为24.6V/m。求得该天线辐射效率Kw=Wr/Wg=60%(Wr=Wg-Wref为天线的辐射能，Wg为激励脉冲能量，Wref为天线反射脉冲的能量)。
图9 时域测量波形4 结论及存在的问题
通过以上分析和研究得出：电-磁振子组合型天线利用电流环与TEM喇叭的互补状态来实现带宽扩展，天线结构参数调整合适，小型化
UWB天线能够做到带宽宽、辐射效率高；尽管天线尺寸小，由于采用同轴过渡馈电结构，可以解决高功率UWB脉冲馈电难的问题；天线结构和瞬态脉冲辐射问题比较复杂，不宜直接和完全采用时域方法，而用频域方法研究天线的结构和特性相对容易，它为天线的时域特性研究创造了条件。
存在的问题是：由于天线结构的复杂性，天线各部分电流分布的求解相当困难，另外，在进行电-磁振子组合型天线模拟计算时，由于计算资源的限制以及建立的模型与实际天线间有较大的差异，从而造成了计算与测量结果之间的误差。
UWB（超宽带）天线 频域分析法 电-磁振子
由于工程实际的需要，高效率的小型化超宽带高功率微波天线成为研究的热点。对于高功率的小型化天线而言，其技术难点主要体现在两个方面：一是天线辐射效率低。二是天线馈电反射大、绝缘难。
有关超宽带辐射天线小型化研究的文献报道不多见。俄罗斯在小型化"多通道天线"[1]方面有一些实验研究结果。但这种天线及其阵列[2]的理论研究有一定难度，目前主要以实验研究为主，应用也十分有限。由于瞬态激励脉冲具有宽频带特征，鉴于此，本文从电-磁组合型天线的物理结构分析入手，结合实验和数值模拟，采用频域和时域测量相结合的方法，对电-磁组合型天线的特性进行了研究。
1 理论分析
1.1
天线结构
图1为电-磁振子组合型超宽带天线结构示意图[2]。图中所示：①为天线同轴馈电区；②为外导体板；③为电流环调节器；④为TEM喇叭上极板；⑤为TEM喇叭下极板。
图1 电-磁振子组合型UWB天线结构示意图1.2 天线物理结构及其特性分析
天线的物理结构与天线性能有比较密切的关系。辐射天线的输入阻抗与超宽谱脉冲源的特性阻抗的失配，造成天线馈源处不同程度地反射。从图1所示的天线结构形式来看，激励脉冲（如图2）进入同轴馈电区后，具有宽频带特征（如图3）的脉冲电流馈入天线。一部分电流通过①、③、②构成的电流环（或磁振子）向自由空间辐射,同时产生反射波和热耗（由于激励脉冲的上限频率较低，天线的热损耗一般可不予考虑）；另一部分电流通过①、④、⑤构成的阻抗渐变型TEM喇叭（主要表现为电振子辐射器）向自由空间辐射，同时也产生反射波。
图2 激励脉冲波形 图3 激励脉冲频谱根据以上分析，可以得到该天线等效电路，如图4所示。其中Rring、Rtrumpet分别为天线的磁振子（电流环）与电振子（TEM喇叭）的辐射电阻，二者与激励信号的频率f成非线性关系。
图4 电-磁振子天线等效电路图天线中的电流环为并联谐振回路，随着频率的提高，电流环由低频短路负载逐渐转变成为以磁振子为主的辐射器，磁振子的辐射电阻Rring也相应增加。对低频而言，电流环为小环辐射器，相当于磁基本振子，其辐射特性等同于磁基本振子；而对高频而言，它又相当于大电流环辐射器，可以应用大电流环辐射理论来分析其输入特性和辐射特性。
在电-磁振子组合型超宽带天线中，TEM喇叭相当于串联谐振回路。随着频率的提高，TEM喇叭由低频开路负载逐渐转变成以电振子为主的辐射器，电振子的辐射电阻Rtrumpet也随之变化。对低频而言，TEM喇叭最基本的物理模型为偶极子天线，它的辐射场是若干偶极子场的矢量叠加。其时域辐射场表达式[4]为：
其中：f(g)为TEM喇叭特性阻抗与自由空间阻抗的比值，δ(a)(t)为冲击函数，h为喇叭口面高度，l为喇叭长度，V0 为馈入天线的阶跃电压的幅值。
随着频率的进一步提高，TEM喇叭再转变成为高频短路负载。当频率f很高时，TEM喇叭电振子和电流环磁振子均严重失谐，分别处于短路和开路状态。造成馈源处较大反射。
电-磁振子组合型超宽带天线中电振子与磁振子的远区辐射场同为垂直极化波。通过调整磁振子与电振子的参数Lring、Ctrumpet以及相位中心距，使两个天线振子形成电-磁振子互补辐射[3]，从而降低天线的辐射电阻对信号频率的依赖，扩展了天线的工作频带，降低了天线负载的不匹配所造成的反射，而且还能使两个辐射器的空间瞬态辐射场相互叠加，最大限度地提高天线的辐射效率。
2 模拟计算
在以上分析的基础上，利用数值模拟软件对50x50x50cm3的电-磁振子组合型超宽带天线进行了模拟，图5、图6为数值模拟结果。
（a） 天线驻波曲线 （b） 天线输入阻抗圆图图5 50cm电-磁振子组合型天线模拟结果图 6 不同频率下50cm电-磁振子组合型UWB天线在θ=900和φ=900平面的方向图3 实验结果
通过模拟与分析，优化设计了一付长、宽、高尺寸均为50cm的电-磁振子组合型UWB天线（如图7所示），并用频域和时域测量方法对天线进行了测试。
图8为采用安立的失量网络分析仪MS4623B所测得的天线驻波曲线、阻抗圆图和时域反射测量曲线。 频域测量的结果表明，该天线在100MHz~1GHz的10倍频程内，天线的驻波系数小于3，与数值模拟的结果基本吻合。从时域测量曲线图8（c）看出：天线最 图7 电-磁振子组合型UWB天线
大反射点在馈源输出端。
图8 MS4623B失网测量结果图9为天线馈入超宽带脉冲信号时，用Tek TDS684测量到的入射脉冲、反射脉冲和辐射场脉冲波形。其中，激励脉冲信号底宽约为2ns，前沿为350ps，峰值电压为150V。入射信号与反射信号采用无感电容分压器（分压比为100:1），辐射场测量采用带宽为80MHz~2GHz、有效高度为6.1cm的TEM喇叭测量天线，测量点位于天线最大辐射方向距离口面10m处。测得反射波最大正峰29.8V、最大负峰为-35.6V，测点的电场强度为24.6V/m。求得该天线辐射效率Kw=Wr/Wg=60%(Wr=Wg-Wref为天线的辐射能，Wg为激励脉冲能量，Wref为天线反射脉冲的能量)。
图9 时域测量波形4 结论及存在的问题
通过以上分析和研究得出：电-磁振子组合型天线利用电流环与TEM喇叭的互补状态来实现带宽扩展，天线结构参数调整合适，小型化
UWB天线能够做到带宽宽、辐射效率高；尽管天线尺寸小，由于采用同轴过渡馈电结构，可以解决高功率UWB脉冲馈电难的问题；天线结构和瞬态脉冲辐射问题比较复杂，不宜直接和完全采用时域方法，而用频域方法研究天线的结构和特性相对容易，它为天线的时域特性研究创造了条件。
存在的问题是：由于天线结构的复杂性，天线各部分电流分布的求解相当困难，另外，在进行电-磁振子组合型天线模拟计算时，由于计算资源的限制以及建立的模型与实际天线间有较大的差异，从而造成了计算与测量结果之间的误差。
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