新型CTS阵列天线的设计及仿真1

Z0 = 60 εr ln ra rb
(1)
式中 ： ra 为同轴线 的外导体的 内半径； rb 为 同轴线的内 导体半径； εr 为介电常数。适 当选择 同轴线的内 外导体 直径和介质，可以得到所需要的特性阻抗，例如 50 Ω 和 75 Ω 。 rx 与 rd 的比例将决定辐射模式和辐射效率，同时 也是影响旁瓣电平 (Side Lobe Level ，SLL) 的决定因素。仿真表明，如果 rd 与 rx 的比值小于 1 ，那么，旁瓣电平将 会有效地被限制 ( SLL < −10dB ) 。较小的比值能够增加远场增益，但同时，主瓣方向将偏离水平方向 ( θ = 90 ) 。 p 和 a 的值将影响电压驻波比 (VSWR) 。通过正确地调节各个参数，就能够得到期望的天线性能。 对于这种天线的每个单元来说，可以看出，其模型实际上是同轴双锥天线的变种，故它们产生的微波模式多 是圆波导 TM 0 n 或者同轴 TEM （ Transverse Electromagnetic ）模式 [4] 。 同轴双锥天线为理想情况时（即双锥长度趋于无穷） ，电磁场为：
Eθ = jkaV0 exp[ − jk ( r + a )] 2 r ln[(cot θa 2 )(tan θb 2 )]
b • ∫θa [sin θa sin θb J 0 ( ka sin θa sin θb ) +
{
θ
j(1 + cos θa cos θb ) J1 ( ka sin θa sin θb )] exp( jka cos θa cos θb )dθ}
Eθ = V0 exp( − jkr ) r sin θ ln[(cot
Hϕ =
o
)(tan )] 2 2 V0 exp( − jkr )
θa 2 )(tan θb 2 )]
θa
θb
(2)
(3)
Z 0 r sin θ ln[(cot
第1期
张 阔等： 新型 CTS 阵列天线的设计及仿真
Z = Z0 2π [(cot
q l m ±
ε 0 k ρm ⎡ εr
i ⎢bm
l
H 0 ( k ρm c )
(1) H 1 ( k ρm c )
(1)
⎣
+ cm
l
H 0 ( k ρm c ) ⎤
( 2) ( 2) H 1 ( k ρm c )
⎥ i Fsurf ( ± λq )e ⎦
m
∓ jλq z
(8)
式中：
Fsurf ( ± λq ) = lim (ζ ∓ λq )
33 (4)
θa
2
)(tan
θb
2
)]
式中： V0 是馈入点的电压； k 是波数； r 是馈入点到顶点的距离； θa 是上半锥体与中心轴的夹角； θb 是下半锥体 与中心轴的夹角； Z 0 为空间波阻抗； Z 为天线的等效输入阻抗 [5] 。 当天线有限长时，根据口径面辐射场，可以求出天线的远区辐射场
摘
要： 提出一种新型的 CTS(Coaxial Transverse Stub) 阵列天线 — CCTCS (Coaxial Continuous
Transverse Conical Stub) 阵列天线。天线由串联馈电单元组成，各单元采用圆锥状同轴开槽结构， 具 有 成本 低、 易 加工 和易 调 节的 特点 。 设计 一个 十 单元 的阵 列 天线 模型 ， 并通 过有 限 积分 数值 方 法对该阵列计算仿真，结果表明，相对于传统的 CTS 阵列， CCTCS 阵列在满足全向性、低驻波、 垂直极化和阻抗匹配的同时，工作带宽和旁瓣电平都有较好的改善。 关键词： CTS ；阵列天线；有限积分法；仿真 中图分类号： TN820.1 + 5 文献标识码： A
Abstract: A new type of CTS(Coaxial Transverse Stub) antenna array－Coaxial Continuous Transverse Conical Stub (CCTCS) antenna array is presented in this paper. This type of antenna, which is based on the conical linear coaxial structure, is constructed by several series-fed elements. It provides preferable performance of low cost, easy to be fabricated and adjusted. A ten-element prototype is designed, and the FIT (Finite Integral Technology) is used to simulate these arrays. The result indicates that compared to the traditional CTS array, the CCTCS array can not only meet the requirements of omni-directional, low-VSWR(Voltage Standing Wave Ratio), perpendicular polarization and impedance matching simultaneously, but also, provide much better performance of the bandwidth and the side lobes. Key words: CTS；array antenna；FIT(Finite Integral Technology)；simulation
式中： J 0 是零阶贝赛尔函数； J1 是一阶贝赛尔函数。 ，满足边界条件： 当我们采用 N 个周期单元组阵时，在天线的边界上（天线与空间分界面）
Hφ
s(I )
(5)
( ρ, z ) =
1 2π
∫−∞ H φ (ζ ) i ⎢ H1 ( k ρ1 ρ ) −
∞
s
⎡ ⎣
( 2)
H 0 ( k ρ1a )
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信 息 与 电 子 工 程
第 5 卷
用标准同轴线结构，故其可直接通过标准接头馈电，且不 需要额外的网络匹配单元。通过适当的单元组阵，就能得 到较高的增益、较低的驻波。 但是，传统同轴 CTS 阵列天线存在的不足是：当增益 要求较高时，必须设计较大的圆盘尺寸，导致天线尺寸较 大，同时主瓣方向也难于调节。 通过实验验证：设计天线增益较高时，主瓣方向将下 倾 10 °到 15 °， 且很难通过调节开槽单元和圆盘单元的物 理尺寸来调节主瓣方向。 Fig.2 The pattern of main-lobe of conventional CTS array 图 2 传 统 CTS 天 线 的 主 瓣 方 向 图 图 2 所示为 5 个单元的传统 CTS 天线的主 P a 瓣方向图。其最大增益为 7.5dB ，主瓣方向偏离 h x rx 水 平 面 （ θ = 90° ） 14 °。 当 单 元 数 增 加 时 ， 尤 rd 其当增益大于 8.5dB 时，该缺点更为突出。为此 设计了一种新型 CTS 阵列天线 ―― CCTCS 阵列 天线。在保持传统 CTS 阵列天线优点的同时， 使主瓣方向能方便地向期望的方向调节， 减小天 Fig.3 The two-element prototype of CCTCS array 图 3 CCTCS 天 线 的 两 个 单 元 示 意 图 线的尺寸，同时能获得更好的旁瓣电平。 图 3 所示为 CCTCS 阵列天线的两个单元的 模型。它由标准同轴线级联而成，中间部分开槽作为辐射单元。仿真表明，相比其他形状，把开槽部分设计成空 心圆锥形状，将会获得更好的辐射特性。如图 3 所示， CCTCS 单元包括三个部分：同轴传输线、圆锥单元、开 槽部分及介质环。h 为圆锥单元的长度， rx 为圆锥上面直径， rd 为圆锥下面直径，x 为两单元之间的同轴传输线 的长度， P 是开槽介质环的长度， a 为开槽介质环的直径。当圆锥体的外半径 ( rx 与 rd ) 与同轴线外导体半径之比 较小时，其辐射能力较强，增益较大，但阻抗匹配变得困难。同时， rx 与 rd 影响单元之间的互耦效应，通过优 化选择 rx 与 rd 的取值可减小单元间的互耦，提高天线性能。作为串馈天线，其单元间距 p 对天线互耦和天线的 方向图影响极大。此外，为了调节阻抗匹配和单元之间的相位关系，每个单元的传输线部分也可选择不同特性阻 抗的同轴线 [3] ，但实际工程化的成本及难度都会增加。 2.2 阵列的分析方法 为了使每个单元的辐射在远场能够同相叠加，每个单元的长度必须设计成大约为一个介质波长。根据同轴线 特 性 阻抗 公式 ：
1
引言
平面 CTS 阵列天线于二十世纪九十年代初提出。由于其所具有的低驻波、高增益、对制作精度不敏感以及 成本低廉等特性，从一提出就引起了天线界的广泛关注。但是，作为定向天线，平面 CTS 阵列天线不仅运用领 域较窄，而且在阻抗匹配、馈电网络等方面不尽如人意。为满足全向性能的要求，人们通过对平面 CTS 阵列的 改进和重新设计，提出了同轴 CTS 阵列，并被运用在诸如基站、个人通信系统等方面。虽然同轴 CTS 阵列天线 的诸多优点使之在天线界备受瞩目， 但其最大的缺点在于在低驻波的要求下， 主瓣方向难于向期望的方向调节 [1] 。 本文提出的 CCTCS 阵列天线，作为一种全向天线，是在传统的同轴 CTS 天线的基础上，通过结构改进和进一步 的优化设计，不仅在馈电、阻抗匹配、辐射特性、抑制旁瓣电平等方面有更优良的特性，而且能够在设计中更加 灵活方便地调节天线物理参数，得到期望的辐射特性和驻波要求。
(1) H 0 ( k ρ1 a )
( 2)
H 1 ( k ρ1 ρ ) ⎥ e