電-磁振子組合型超寬帶UWB天線的特性研究

　　本文從電-磁組合型天線的物理結構分析入手，結合實驗和數值模擬，采用頻域和時域測量相結合的方法，對電-磁組合型天線的特性進行了研究。

　　1 理論分析

　　1.1 天線結構

　　圖1為電-磁振子組合型超寬帶天線結構示意圖[2]。圖中所示：①為天線同軸饋電區(qū);②為外導體板;③為電流環(huán)調節(jié)器;④為TEM喇叭上極板;⑤為TEM喇叭下極板。

　　圖1 電-磁振子組合型UWB天線結構示意圖

　　1.2 天線物理結構及其特性分析

　　天線的物理結構與天線性能有比較密切的關系。輻射天線的輸入阻抗與超寬譜脈沖源的特性阻抗的失配，造成天線饋源處不同程度地反射。從圖1所示的天線結構形式來看，激勵脈沖(如圖2)進入同軸饋電區(qū)后，具有寬頻帶特征(如圖3)的脈沖電流饋入天線。一部分電流通過①、③、②構成的電流環(huán)(或磁振子)向自由空間輻射,同時產生反射波和熱耗(由于激勵脈沖的上限頻率較低，天線的熱損耗一般可不予考慮);另一部分電流通過①、④、⑤構成的阻抗?jié)u變型TEM喇叭(主要表現為電振子輻射器)向自由空間輻射，同時也產生反射波。

　　圖2 激勵脈沖波形 圖3 激勵脈沖頻譜

　　根據以上分析，可以得到該天線等效電路，如圖4所示。其中Rring、Rtrumpet分別為天線的磁振子(電流環(huán))與電振子(TEM喇叭)的輻射電阻，二者與激勵信號的頻率f成非線性關系。

　　圖4 電-磁振子天線等效電路圖

　　天線中的電流環(huán)為并聯諧振回路，隨著頻率的提高，電流環(huán)由低頻短路負載逐漸轉變成為以磁振子為主的輻射器，磁振子的輻射電阻Rring也相應增加。對低頻而言，電流環(huán)為小環(huán)輻射器，相當于磁基本振子，其輻射特性等同于磁基本振子;而對高頻而言，它又相當于大電流環(huán)輻射器，可以應用大電流環(huán)輻射理論來分析其輸入特性和輻射特性。

　　在電-磁振子組合型超寬帶天線中，TEM喇叭相當于串聯諧振回路。隨著頻率的提高，TEM喇叭由低頻開路負載逐漸轉變成以電振子為主的輻射器，電振子的輻射電阻Rtrumpet也隨之變化。對低頻而言，TEM喇叭最基本的物理模型為偶極子天線，它的輻射場是若干偶極子場的矢量疊加。其時域輻射場表達式[4]為：

　　其中：f(g)為TEM喇叭特性阻抗與自由空間阻抗的比值，δ(a)(t)為沖擊函數，h為喇叭口面高度，l為喇叭長度，V0 為饋入天線的階躍電壓的幅值。

　　隨著頻率的進一步提高，TEM喇叭再轉變成為高頻短路負載。當頻率f很高時，TEM喇叭電振子和電流環(huán)磁振子均嚴重失諧，分別處于短路和開路狀態(tài)。造成饋源處較大反射。

　　電-磁振子組合型超寬帶天線中電振子與磁振子的遠區(qū)輻射場同為垂直極化波。通過調整磁振子與電振子的參數Lring、Ctrumpet以及相位中心距，使兩個天線振子形成電-磁振子互補輻射[3]，從而降低天線的輻射電阻對信號頻率的依賴，擴展了天線的工作頻帶，降低了天線負載的不匹配所造成的反射，而且還能使兩個輻射器的空間瞬態(tài)輻射場相互疊加，最大限度地提高天線的輻射效率。

　　2 模擬計算

　　在以上分析的基礎上，利用數值模擬軟件對50x50x50cm3的電-磁振子組合型超寬帶天線進行了模擬，圖5、圖6為數值模擬結果。

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