王友成 董明宇 張 鋒 葉盛波 紀奕才 方廣有 張曉娟
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漸變槽天線端射特性優化設計
王友成*①②董明宇③張 鋒①葉盛波①紀奕才①方廣有①張曉娟①
①(中國科學院電磁輻射與探測技術重點實驗室 北京 100190);②(中國科學院大學 北京 100049);③(中國電力科學研究院用電與能效所 北京 100085)
該文在優化漸變槽天線結構基礎上,采用柵形開槽和加載周期結構,設計了一款平面端射天線。通過數值模擬,分析了柵形開槽和周期結構對天線輻射特性的影響。該結構在1~3.5 GHz頻帶內,明顯改善了漸變槽天線的端射特性。天線樣機測試結果表明,該天線在1~3.5 GHz內,駐波系數小于2,增益約為7 dBi。天線的群時延相對平坦,時域波形振鈴較小,可以應用于脈沖體制雷達。
天線;漸變槽;增益;小型化
脈沖體制雷達具有高分辨、非破壞性和快速成像等優點,并廣泛應用于道路結構缺陷檢測、橋梁隧道檢測等。天線作為前端傳感器,其性能的優劣對雷達的探測性能具有重要的影響。常用于脈沖體制雷達的天線包括:帶金屬背腔的平面印制蝶形天線及其變形、喇叭天線、平面端射漸變槽天線等。其中,漸變槽天線具有低剖面、方向性好、容易組陣等優點。在陣列雷達應用中,陣列天線單元需要具有緊支撐的結構,以及較好的輻射特性。因此,漸變槽天線獲得眾多研究者青睞。對天線的輻射臂進行柵狀開槽,能夠有效改善天線前后輻射比并降低副瓣[15]。在天線端面上利用周期結構,構成人工電磁材料,改變天線輻射末端區域折射率,能夠改善天線增益[16]。本文采用經典電磁耦合的饋電結構,指數漸變槽構成天線臂,并對天線臂末端進行圓弧形處理。通過仿真進一步分析了柵狀開槽(Slot)和周期結構(Periodic Structure, PS)加載對天線特性的影響。最后,加工了一對天線并對其進行了頻域和時域特性測試。本文第2節介紹了天線的幾何結構和仿真結果,第3節給出了天線的測試結果,第4節為結論。
圖1 天線結構圖
2.1天線幾何結構
表1天線結構參數(mm)
L1L2L3L4W1W2W3 202.8742.805.0016.45158.602.004.40 W4W5W6W7R 6.600.150.301.0011.5985o
2.2 數值仿真結果
利用高頻電磁仿真軟件HFSS對天線特性進行了數值模擬。仿真設計包括:常規漸變槽天線(Regular),柵狀開槽(Slot)和增加周期結構(Slot+ PS)。為了分析開槽結構和周期結構對天線端射特性的影響,仿真分析了其輻射特性。圖2給出了天線在2 GHz頻點處表面電流分布仿真結果,從圖2中可以看出,通過饋電處扇形枝節的電磁耦合,電流沿槽線向天線張開的末端流動。明顯可以看到,能量束縛在槽線中。當槽線逐漸張開時,能量將會向外輻射。在天線槽線張開的末端,電流沿邊緣分布;靠近末端的柵狀開槽,延長了電流的路徑,這有利于拓展天線的帶寬。加載在天線臂末端的周期結構部分表面電流分布如圖2中箭頭所指的局部放大圖所示,可以看到周期結構表面產生了較弱的感應電流,正對著槽線處的周期結構單元感應電流相對較強,這種感應電流對槽線張口處的輻射有引向器的作用,這意味著天線的增益能得到改善。在圖3中,分別比較了這3種天線的駐波仿真結果??梢钥闯?,柵狀開槽后,低頻段阻抗匹配變差,導致在0.5~1.0 GHz之間駐波出現突起。實際上,柵狀開槽結構延長了天線輻射臂末端電流路徑,有利于拓展低頻。但天線臂開槽之后,天線的輸入阻抗會發生變化,相應需要調整匹配。本文為了研究應用于1.0~3.5 GHz頻段天線輻射特性,并未對柵狀結構的尺寸進行優化。當增加柵狀和周期結構之后,天線的駐波特性在1.0 GHz以上,基本保持不變。圖4給出了天線增益仿真結果,從圖中可以看出,柵狀開槽以后,天線增益明顯得到增強。在0.5~1.8 GHz頻帶內,柵狀結構使得天線增益增加約3 dB;在高頻段,天線增益基本保持不變。在柵狀開槽基礎上,增加周期結構,在高頻段能夠進一步改善天線的增益。這也說明周期結構在保證電磁波透射的同時,有著引向的作用。圖5-圖8分別仿真了天線面和面歸一化輻射方向圖。其中,圖5和圖6分別對應面在頻點2 GHz和3 GHz輻射模式。從圖中可以看出,天線方向圖呈端射特性。柵形開槽之后,天線的后向輻射明顯減小、副瓣降低。在柵形開槽基礎上再增加周期結構,天線的副瓣和后向輻射得到進一步抑制。
圖2 天線2 GHz表面頻點電流分布仿真結果
為驗證設計思路,加工了一對天線樣機,并用安捷倫網絡分析儀E5071C對其進行了測試。天線樣機的整體尺寸為203 mm159 mm 。天線的駐波系數實測與仿真結果如圖9所示,實測與仿真吻和良好。在1.0~3.5 GHz頻帶內,天線的駐波系數小于2。將兩個天線樣機端對端放置,采用雙天線法對天線的增益進行了測試。天線增益測試結果與仿真結果比較如圖10所示。實測結果與仿真結果趨勢一致,在個別頻點低于仿真值。這是因于天線測試時環境噪聲、測試平臺反射等因素所導致。將兩個天線樣機置于自由空間中,端對端相隔0.78 m放置,通過矢量網絡分析儀的時頻轉換功能測量天線的時域特性。天線群時延測試結果如圖11所示,在1.0~ 3.5 GHz頻帶內,群時延保持平坦,基本保持在5 ns。這說明天線具有良好的傳輸特性,能夠輻射低振鈴的時域波形。圖12為天線時域輻射波形測試結果。圖12(a)為矢量網絡分析儀源波形,圖12(b)為天線輻射波形。從圖中可以看出,該天線的時域波形具有較低的拖尾振鈴,說明該天線能夠較好地應用于脈沖體制雷達中。
圖3 駐波系數仿真結果 圖4 天線增益仿真結果 圖5 天線在2 GHz頻點yoz面方向圖仿真結果
圖6 3 天線在3 GHz頻點yoz面方向圖仿真結果 圖7 天線在2 GHz頻點xoz面方向圖仿真結果 圖8 天線在3 GHz頻點xoz面方向圖仿真結果
本文在優化常規平面端射漸變槽天線基礎上,對天線臂進行柵形開槽處理,并在天線末端增加周期結構。利用電磁仿真軟件,對天線的駐波系數以及輻射特性進行了分析。仿真結果表明,漸變槽天線經過柵形開槽處理后,天線波束得以銳化,副瓣和后向輻射得到抑制,天線的增益得到了提高。天線臂末端的周期結構,可以進一步改善天線的前后輻射比和增益。為了驗證設計思想,加工了一對天線并對其測試。測試與仿真結果吻合良好。測試結果表明,該天線在結構緊湊的前提下,柵形開槽和周期結構改善了天線增益。在0.5~1.8 GHz頻段,增益提高近3 dB。在1.0~3.5 GHz內,天線駐波系數小于2。將一對天線端對端進行測試,測試結果表明天線的傳輸函數具有平坦的群時延。天線的時域輻射波形也具有較低的拖尾振鈴。該天線具有低剖面、高增益、時域特性良好的特點,可以應用于脈沖體制陣列雷達應用中。
圖9 VSWR實測與仿真結果比較 圖10 天線增益實測與仿真結果比較
圖11 實測群時延 圖12 實測時域波形
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王友成: 男,1986年生,博士生,研究方向為時域超寬帶雷達天線設計及應用.
董明宇: 女,1987年生,碩士,研究方向為電力及自動化控制.
張 鋒: 男,1984年生,博士,研究方向為超寬帶天線理論及應用.
葉盛波: 男,1984年生,博士,研究方向為基于FPGA探地雷達系統設計.
紀奕才: 男,1974年生,博士,研究方向為超寬帶天線、計算電磁學、超寬帶雷達.
方廣有: 男,1963年生,博士,研究員,研究方向為超寬帶雷達成像理論、方法與技術,月球與深空探測科學載荷技術,探地雷達、地球物理電磁勘探、太赫茲成像等方法與技術.
張曉娟: 女,1964年生,研究員,研究方向為非均勻媒質電磁散射與逆問題、微波成像新方法及應用、電磁遙感機理、電磁遙感信號處理、電磁遙感系統仿真、天線技術.
Design of Tapered-slot Antenna with Optimized End-fire Characteristics
WANG Youcheng①②DONG Mingyu③ZHANG Feng①YE Shengbo①JI Yicai①FANG Guangyou①ZHANG Xiaojuan①
①(,,100190,);②(,100049,);③(,100085,)
Based on optimized geometry structure of tapered slot antenna, an end-fire printed antenna is designed with rectangular-grooved and periodic structure. Its effects on the radiation pattern of antenna is studied and simulated. From 1 GHz to 3.5 GHz, those structures improve the end-fire characteristics of the antenna obviously. Finally, pairs of antennas are constructed and measured. The measured results show that VSWR is smaller than 2 and the gain is approximately equal to 7 dBi from 1 GHz to 3.5 GHz. The measured transfer characteristics results show that the antenna achieves a stable group delay and a low late-time ring. The antenna can be applied to the impulse radar.
Antenna; Tapered-slot; Gain; Compact
TN957.2
A
1009-5896(2017)01-0124-05
10.11999/JEIT160203
2016-03-03;改回日期:2016-07-05;
2016-09-30
王友成 wangyoucheng99@163.com
國家863計劃項目(2012AA061403),北京交通行業科技項目(7C1405473)
The National 863 Program of China (2012AA 061403), The Technical Program of Beijing Transportation Industry (7C1405473)