超宽带天线
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2l k
各驻波点频率
S11
-5
-10
-15
kc k c 2l f r f 2 r l
-20
标准 结 构 改进 结 构
0.5
f (GHz)
0.0
1.0
1.5
270 240 210
y(mm)
(3) 槽天线仿真计算 Vivaldi天线指数曲线 指数曲线化简
180 150 120 90 60 30
(3) 能量方向系数
D( , )
1 2π π 2 E trans ( , , t ) sin dddt 4π 0 0
E
trans
( , , t ) dt
2
(4) 能量辐射效率
2
e
0 0 t
第 5 章 超宽带天线设计
5.1 描述天线的参数
5.1.1 描述频域天线的参数
(1) 方向图 f (θ,φ) 特定频率点上,天线的远区辐射场 可以表示为
e jkr E ( r , , ) kf ( , ) r
令f(θ,φ) 的最大值为1,画出的天线归一化方向图。 (2) 方向性系数D 相同条件下,天线方向图上最大功率密度与点源天线之比
f (t ) f ( )d
两个时域信号的波形保真系数为最大归一化互相关系数
12 ( t ) f max ( ) t 11 (0) 22 (0)
(2) 能量方向图
f e ( , )
2 E ( , , t )dt 2 max E ( , , t )dt ,
5.2.1 Blumlein线设计
Blumlein形成线机械结构设计
储能电容参数
0
1 in CU 02 2
光导开关输出电脉冲波形满足
-5
S11
-10
-15
-20
U ( t ) U 0 exp(t 2 )
标准 结 构 改进 结 构
0.5
f (GHz)
0.0
1.0
1.5
设PCSS电压转换效率为U,天线阻抗RA,输出电脉冲能量out
1.0 y(1) y(2)
Байду номын сангаас1.0
F1
0.5
0.8
F2
0.0
y
0.6
F (w)
-0.5
0.4
0.2
-1.0
-2 0 2 4 6 8 10 12
1.0
对称结 构 非对 称 结 构
0.5
E /E 0
0.0
-0.5
0
2
4
6
8
10 t (ns)
12
14
16
18
5.3 全向偶极子天线设计
5.3.1 设计要求 • 偶极子天线辐射的电磁脉冲波形为类二阶高斯脉冲波形 • 其底宽T=5 ns1 ns;拖尾脉冲幅值A1/A0.1
5.3.2 设计思路
• 依输出脉冲波形频谱确定输入脉冲波形及天线尺寸 • 采用加载等方法优化天线参数,实现设计指标 5.3.3 频谱分析 (1) 输出脉冲信号频谱
Pmax Emax D Pomni E omni
(3) 增益G
2
相同输入功率条件下,天线方向图上最大功率密度与理想 全向天线功率密度之比
G
Pmax Pomni
输入功率相同
Emax E omni
2
输入功率相同
(4) 输入阻抗:天线馈电端口电压和电流之比
Pin Vin Z in Rin jX in 2 I in I in
2l Tc T l v 2 r
Blumlein线宽度参数 微带线阻抗经验公式
377 w r 1 r 1 w 0 . 883 0 . 165 ln( 1 . 88 ) 0 . 758 r h r2 π r h 8h 1 w 2 r 1 120 0.1208 Z0 ln ( ) (0.2258 ) 2( r 1) w 32 h r 1 r Z0
x A expB( y c )
x y A ln B
0 -5 -10 -15 -20
S11
0 -100 -50
x(mm)
0
50
100
I 馈电点缝宽对槽天线参数的影响 • 缝宽为0 mm时,低频点最低; • 缝宽为0 mm时,辐射带宽内阻抗约40; 结论:缝宽取为0 mm
w=264mm w=294mm w=324mm
-15
Z ()
w=264mm w=294mm w=324mm
S11
-20 -25 -30 -35 -40 0.0
60 40 20 0
0.5
f (GHz)
1.0
1.5
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8 f (GHz)
1.0
1.2
1.4
• 天线宽度增大,低频点下移,但移动幅度不大; • 天线宽度增大,阻抗变化率减小,但变化幅度很小; 结论:宽度取260 mm有助于天线小型化;且阻抗变化率变化 幅度不大
1
w/h1 w/h1
依据天线输入阻抗、储能电容、脉宽要求,可以确定Blumlein
线长、宽、高参数 5.2.2 一体化天线参数计算 (1) 高斯脉冲的频谱分析 高斯函数
f ( t ) A0 exp(t 2 )
2 2 A0 A 2 0 F ( ) exp( t ) cos t d t exp( ) 0 π π 4
he ( , )
Vopen ( , ) max E inc max
(13) 天线能量传输因子
E ( , , t ) d t trans TAFenergy ( , ) 2 Vinput ( t ) dt
2
其中
4 ln 2 2 T
以幅值半峰值为标准,馈电脉冲带宽[0,fh]
其中
h 2 ln 2 4 ln 2 h fh T 2π πT
(2) Blumlein线S参数 频率为 f 的电磁脉冲在介电常数为 r 的介质中的速度
v
c
r
f
c
r f
0
考虑驻波条件
E
trans
( , , t ) sin dtdd
2
(11) 有效能量高度
he
energy
V ( , , t ) d t open ( , ) 2 E inc ( t ) dt
2
12
(12) 有效高度
E
1.0
偏 离轴 线 60o 偏 离轴 线 30o 轴 线 方向
relative field(V/m)
0.9
0.5 0.0 -0.5 -1.0 -1.5 -2.0 6 8 10 12 14 16 18
0.8
0.7
0.6 40
非对称 对称
60 80
angle 100
120
140
t (ns)
III 非对称一体化天线
(5) 天线效率
Pr Pr Pin Pr PL
其中Pr,PL,Pin分别是天线的辐射、损耗和输入功率 (6) 极化方向 天线最大辐射方向上电场矢量随时间变化在空间描出的轨迹; 天线的极化形式分为线极化,圆极化和椭圆极化三种。 (7) 带宽:天线工作的频率范围 天线有多种形式的带宽,方向图带宽﹑增益带宽﹑输入阻 抗带宽等,用得较多的是天线输入阻抗带宽。
E trans ( r , , , t )
2
0
r 2 sin dddt
V
input
( t ) I input ( t ) dt
(5) 天线传输因子
TAF ( , )
E trans
( 1 meter )
( , ) max
Vinput max
(6) 天线输入反射系数
out
(U U 0 ) 2 2 exp( 2 t )dt RA
平行板电容器电容设计应满足
2 ( U ) 1 2 2 U 0 CU 0 exp( 2 t )dt 2 RA
Blumlein线长度参数 实现Blumlein线对lock-on锁定脉冲截波,则
0.5
f (GHz)
1.0
1.5
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8 f (GHz)
1.0
1.2
1.4
• 天线长度增大,低频点下移,但移动幅度不大;
• 天线长度增大,阻抗变化率加大;
结论:长度取260 mm有助于天线小型化;且阻抗变化率相对 较小
III 天线宽度对槽天线参数的影响
0 -5 -10
80 120 100
-25 -30 -35 -40 -45 -50 0.0
la=-5mm la=0mm la=5mm
0.5
f (GHz)
1.0
1.5
180 160 140 120
Z ( )
la=-5mm la=0mm la=5mm
100 80 60 40 20 0 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 f (GHz) 1.0 1.2 1.4
max trans
(9) 天线波束角
2
a 0 0 t 2 E ( , , t ) d t trans max (10) 能量因子
2 E ( t ) d t inc AFenergy ( , ) 2 Vload ( , , t ) dt 12
5.1.2 描述时域天线的参数 (1) 波形保真系数 两个信号f1(t)和f2(t)的自相关和它们之间的互相关定义为
11 ( t )
22 ( t )
12 ( t )
f (t ) f ( )d
1 1
f (t ) f ( )d
2 2 1 2
f (t )
1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0 -0.2
A
A1 T
典型输出脉冲信号波形函数可近似为
-0.4 -0.6 -0.8 -1.0 -10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10
f ( t ) Ai exp i ( t t i )2
i
以此对输出脉冲信号作频谱分析
( 1 meter )
12
(14) 天线因子
E inc max AF Vload ( , , t ) max
(15) 有效面积
Ae ( , )
V
re
( t ) I re ( t ) dt
2
E in ( t )
0
dt
Vre(t)为接收信号电压,Ire(t)为接收电流,Ein(t)为入射电场
(4) 一体化天线仿真与优化
I S参数仿真与优化
0 -5 -10 -15
-15
S11
对称结 构 非对 称 结 构
0
-5
-10
S11
-20
-20
-25 0.0 0.2 0.4 f (GHz) 0.6 0.8
0.0
标准 结 构 改进 结 构
0.5
f (GHz)
1.0
1.5
II 时域波形与方向图
2.5 2.0 1.5 1.0
V ( t ) dt V ( t )dt
(7) 辐射阻抗
2π
Rrad
0 0 t
π
E trans ( r , , , t )
2
0
r 2 sin dddt
2
I
input max
( t ) dt
(8) 增益
5.2 高功率一体化Vivaldi天线设计
(1) 设计要求 • 单元辐射系统能够承受馈电脉冲的高峰值电压; • 馈电网络的输出阻抗与天线输入阻抗匹配; • 辐射天线为定向天线且具有较高的辐射效率; • 阵列辐射天线布阵时应使各单元天线间的耦合尽可能小。 (2) 设计思路 • 定向天线选择;
• 一体化设计思路;
II 天线长度对槽天线参数的影响
0 -5 -10 -15 -20
Z ()
S11
120 100 80 60 40 20
l=262.5mm l=282.5mm l=302.5mm
l=262.5mm l=282.5mm l=302.5mm
-25 -30 -35 -40 -45 -50 -55 0.0
0
G ( , ) 4πr
2
E trans ( , , t )
2
0
dt
V
in
( t ) I in ( t )dt
(9) 极化特性
2 E ( , , t ) d t 1 ( , ) tan 2 E ( , , t ) dt