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

摘要: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分析。仿真结果表明,该天线具有非常宽的阻抗带宽和较高的天线增益,且其波束宽度很窄,天线定向特性很好。这种超宽带定向天线非常适用于超宽带通信、超宽带雷达以及无线电数据监测与管理系统等领域,具有非常广阔的应用前景。

关键词:超宽带天线,定向天线,抛物面天线,指数渐变,高增益

Design and Simulation of Ultra-Wideband Directional Antenna

Qiu Jinghui Sun Bo Li Gaofei Deng Weibo

(School of Electronics and Information Engineering, Harbin Institute of Technology, Harbin 150001

Abstract: In this paper, an ultra-wideband directional antenna was designed. Paraboloid antenna was adopted as the prototype of this antenna, and feed arms of paraboloid antenna were designed to exponential tapered form. The design method of this ultra-wideband directional antenna was given. And electromagnetic simulation and analyses were performed. Simulation results indicate that this antenna has an extremely wide impedance bandwidth and high gain. The beam width of this antenna is narrow and the directivity is very good. The novel ultra-wideband paraboloid antenna is suitable for ultra-wideband communication, ultra-wideband radar, and radio data monitor and manage systems,and it has broad application prospects.

Keywords: Ultra-wideband antenna; Directional antenna; Paraboloid antenna; Exponential tapered line; High gain

1 引言

近年来,现代雷达及通讯设备的频段及频宽在不断扩展,原有的射电频谱变得非常拥挤,人们急需一种新技术为无线通信开辟一片新天地,超宽带技术恰好具有解决这一问题的潜力[1,2]。同时,出于增加辐射功率的有效利用率、增加保密性以及增加抗干扰能力等要求,又需要天线具有很好的定向性。抛物面天线是一种常见的定向微波天线,其设计的重点在于馈源的设计。按指数规律渐变的Vivaldi天线是一种超宽带天线,它具有非周期连续渐变的结构,理论上讲,它不仅具有很宽的频带,而且增益较高[3]。

本文提出的超宽带定向天线,利用Vivaldi天线与共面横电磁(Transverse electromagnetic,简称TEM传输线相结合的形式,作为抛物面天线的馈电结构,即从馈电臂顶点处开始以指数渐变过渡到与抛物面连接处。文中首先对该超宽带定向天线的基本原理和设计方法进行研究,然后利用CST-Microwave Studio®仿真软件进行电磁仿真,详细分析了该天线的阻抗特性和辐射特性,通过一系列数值结果和理论分析证明了这种超宽带定向天线的优良特性。

2 天线的工作原理

本文设计的超宽带定向天线的基本结构如图1所示,它是由一个抛物面和四个圆锥共面的TEM传输线馈电臂构成,馈电臂的馈电点位于抛物面的焦

点处,馈电臂的末端与抛物面的边缘处相接。从理论上讲,在圆锥对称馈电结构上传播的非均匀球面波、通过抛物面的反射,在近场转换成近似的平面波。此超宽带定向天线可以进行大口径辐射,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结构

超宽带定向天线将非色散的TEM 馈电结构和聚焦口径面相结合,它的作用就像是所用电压波形时间分量的微分器。当用一个快速上升的阶跃脉冲激励时,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

rad E x y dxdy dV t E r t V rc dt

π=

∫∫(1 其中,V (t 是激励电压波形,V 0是激励电压波形

的峰值,在定义为S a 的口径上对TEM 模的横向分量做面积分。瞬时辐射场也可以用TEM 传输线归一化阻抗f g 和口径高度h a 来表示,发射和接收的峰值波形为:

(2a rad g h dV

E t rcf dt π=−((rec a inc V t h E t =−(2

其中,E rad 和E inc 分别为辐射场和入射场主要分量的幅度。

TEM 传输线归一化阻抗

g line med f Z Z = (3

口径高度

(0

,a

g a S f h E x y dxdy V =−

∫∫

(4