超宽带天线课件.ppt

1、第第 5 章章 超宽带天线设计超宽带天线设计5.1 描述天线的参数描述天线的参数5.1.1 描述频域天线的参数描述频域天线的参数(1) 方向图方向图 f (,)特定频率点上，天线的远区辐射场特定频率点上，天线的远区辐射场 可以表示为可以表示为 rekfrEjkr ),(),( 令令f(,) 的最大值为的最大值为1，画出的天线归一化方向图。，画出的天线归一化方向图。(2) 方向性系数方向性系数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相同条件下，天线方向图上最大功率密度与点源天线之比2maxmaxomniomniEEPPD (3) 增益增益G相同输入功率条件下，天线方向图上最大功率密度

2、与理想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全向天线功率密度之比2maxmax输入功率相同输入功率相同输入功率相同输入功率相同omniomniEEPPG (4) 输入阻抗：输入阻抗：天线馈电端口电压和电流之比天线馈电端口电压和电流之比inininininininjXRIVIPZ 2(5) 天线效率天线效率LrrinrPPPPP 其中其中Pr，PL，Pin分别是天线的辐射、损耗和输入功率分别是天线的辐射、损耗和输入功率(6) 极化方向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

3、为线极化，圆极化和椭圆极化三种。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：带宽：天线工作的频率范围天线工作的频率范围 天线有多种形式的带宽，方向图带宽天线有多种形式的带宽，方向图带宽增益带宽增益带宽输入阻输入阻 抗带宽等，用得较多的是天线输入阻抗带宽。抗带宽等，用得较多的是天线输入阻抗带宽。5.1.2 描述时域天线的参数描述时域天线的参数(1) 波形保真系数波形保真系数 d)()()(1111ftft d)()()(2222ftft )d()()(2112ftft两个信号两个信号f1(t)和和f2(t)的自相关和它们之间的互相关定义为的自相关和它们之间的互相关定义为 两个时

4、域信号的波形保真系数为最大归一化互相关系数两个时域信号的波形保真系数为最大归一化互相关系数)0()0()(max221112 tft (2) 能量方向图能量方向图 ttEttEfed),(maxd),(),(2,2 (3) 能量方向系数能量方向系数 20022dddsin),(41d),(),( ttEttEDtranstrans(4) 能量辐射效率能量辐射效率 ttItVtrtrEeinputinputttransd)()(dddsin),(200202 (5) 天线传输因子天线传输因子 maxmax),(),()1(inputtransVETAFmeter (6) 天线输入反射系数天线输入

5、反射系数 ttVttVd)(d)(7) 辐射阻抗辐射阻抗 ttItrtrERinputttransradd)(dddsin),(2200202max (8) 增益增益 ttItVttErGinintransd)()(d),(4),(022 (9) 极化特性极化特性 ttEttEtransd),(d),(tan),(221max (9) 天线波束角天线波束角 ttEttEtransttransad),(dddsin),(2max2002 (10) 能量因子能量因子2122d),(d)(),( ttVttEAFloadincenergy (11) 有效能量高度有效能量高度 2122d)(d),()

6、,( ttEttVhincopeneenergy (13) 天线能量传输因子天线能量传输因子 2122d)(d),(),()1( ttVttETAFinputtransenergymeter (12) 有效高度有效高度maxmax),(),(incopeneEVh (14) 天线因子天线因子 maxmax),(tVEAFloadinc (15) 有效面积有效面积 ttEttItVAinrereed)(d)()(),(02 Vre(t)为接收信号电压，为接收信号电压，Ire(t)为接收电流，为接收电流，Ein(t)为入射电场为入射电场5.2 高功率一体化高功率一体化Vivaldi天线设计天线设计

7、 (1) 设计要求设计要求 单元辐射系统能够承受馈电脉冲的高峰值电压；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；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；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。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) 设计思路设计思路 定向天线选择；定向天线选择； 一体化设计思路；一体化设计思路；5.2.1 Blumlein线设计线设计 Blumlein形成线机械结构设计形成线机械结构设计 0.00.51.01.5-20-15-1

8、0-50 标准 结 构 改进 结 构S11f (GHz)储能电容参数储能电容参数 2021CUin 光导开关输出电脉冲波形满足光导开关输出电脉冲波形满足 )exp()(20tUtU 设设PCSS电压转换效率为电压转换效率为 U，天线阻抗，天线阻抗RA，输出电脉冲能量，输出电脉冲能量 out ttRUAUoutd)2exp()(220 平行板电容器电容设计应满足平行板电容器电容设计应满足 ttRUCUAUd)2exp()(2122020 Blumlein线长度参数线长度参数 实现实现Blumlein线对线对lock-on锁定脉冲截波，则锁定脉冲截波，则rTcllT 22 vBlumlein线宽度

9、参数线宽度参数 1/)1208. 02258. 0(11)(3218ln)1(21201/758. 0)88. 1ln(11165. 0883. 037720120 hwhwwhZhwhwhwZrrrrrrrrr 微带线阻抗经验公式微带线阻抗经验公式依据天线输入阻抗、储能电容、脉宽要求，可以确定依据天线输入阻抗、储能电容、脉宽要求，可以确定Blumlein线长、宽、高参数线长、宽、高参数5.2.2 一体化天线参数计算一体化天线参数计算 (1) 高斯脉冲的频谱分析高斯脉冲的频谱分析 高斯函数高斯函数 )exp()(20tAtf )4exp(dcos)exp(2)(20020 AtttAF22ln

10、4T 其中其中以幅值半峰值为标准，馈电脉冲带宽以幅值半峰值为标准，馈电脉冲带宽0,fh其中其中TfThhh2ln222ln4 (2) Blumlein线线S参数参数 频率为频率为 f 的电磁脉冲在介电常数为的电磁脉冲在介电常数为 r 的介质中的速度的介质中的速度 fcfcrr v考虑驻波条件考虑驻波条件 kl 2各驻波点频率各驻波点频率lckffkclrr 220.00.51.01.5-20-15-10-50 标准 结 构 改进 结 构S11f (GHz)(3) 槽天线仿真计算槽天线仿真计算 Vivaldi天线指数曲线天线指数曲线 )(expcyBAx -100-500501000306090

11、120150180210240270 y(mm)x(mm)指数曲线化简指数曲线化简 BxAylnI 馈电点缝宽对槽天线参数的影响馈电点缝宽对槽天线参数的影响 0.00.20.40.60.81.01.21.4020406080100120140160180 Z ()f (GHz) la=-5mm la=0mm la=5mm0.00.51.01.5-50-45-40-35-30-25-20-15-10-50 S11f (GHz) la=-5mm la=0mm la=5mm 缝宽为缝宽为0 mm时，低频点最低；时，低频点最低； 缝宽为缝宽为0 mm时，辐射带宽内阻抗约时，辐射带宽内阻抗约40 ；结论

12、：缝宽取为结论：缝宽取为0 mmII 天线长度对槽天线参数的影响天线长度对槽天线参数的影响 0.00.51.01.5-55-50-45-40-35-30-25-20-15-10-50 S11f (GHz) l=262.5mm l=282.5mm l=302.5mm0.00.20.40.60.81.01.21.4020406080100120 Z ()f (GHz) l=262.5mm l=282.5mm l=302.5mm 天线长度增大，低频点下移，但移动幅度不大；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；天线长度增大，阻抗变化率加大；结论：长度取结论：长度取2

13、60 mm有助于天线小型化；且阻抗变化率相对有助于天线小型化；且阻抗变化率相对 较小较小III 天线宽度对槽天线参数的影响天线宽度对槽天线参数的影响 0.00.51.01.5-40-35-30-25-20-15-10-50 S11f (GHz) w=264mm w=294mm w=324mm0.00.20.40.60.81.01.21.4020406080100120 Z ()f (GHz) w=264mm w=294mm w=324mm 天线宽度增大，低频点下移，但移动幅度不大；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；天线宽度增大，阻抗变化率

14、减小，但变化幅度很小；结论：宽度取结论：宽度取260 mm有助于天线小型化；且阻抗变化率变化有助于天线小型化；且阻抗变化率变化 幅度不大幅度不大(4) 一体化天线仿真与优化一体化天线仿真与优化 0.00.20.40.60.8-25-20-15-10-50 S11f (GHz) 对 称 结 构 非对 称 结 构I S参数仿真与优化参数仿真与优化0.00.51.01.5-20-15-10-50 标准 结 构 改进 结 构S11f (GHz)II 时域波形与方向图时域波形与方向图681012141618-2.0-1.5-1.0-0.50.00.51.01.52.02.5 Et (ns) 偏 离 轴

15、线 60o 偏 离 轴 线 30o 轴 线 方向4060801001201400.60.70.80.91.0 非对称对称 relative field(V/m)angle024681012141618-0.50.00.51.0 对 称 结 构 非对 称 结 构E/E0t (ns)III 非对称一体化天线非对称一体化天线5.3 全向偶极子天线设计全向偶极子天线设计 5.3.1 设计要求设计要求-10-8-6-4-20246810-1.0-0.8-0.6-0.4-0.20.00.20.40.60.81.0TAA1 f(t)t 偶极子天线辐射的电磁脉冲波形为类二阶高斯脉冲波形偶极子天线辐射的电磁脉冲

16、波形为类二阶高斯脉冲波形 其底宽其底宽T=5 ns 1 ns；拖尾脉冲幅值；拖尾脉冲幅值A1/A 0.1 5.3.2 设计思路设计思路 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 频谱分析频谱分析(1) 输出脉冲信号频谱输出脉冲信号频谱典型输出脉冲信号波形函数可近似为典型输出脉冲信号波形函数可近似为 iiiittAtf2)(exp)( 以此对输出脉冲信号作频谱分析以此对输出脉冲信号作频谱分析-2024681012-1.0-0.50.00.51.0y t (

17、ns) y(1) y(2)0.00.51.01.50.00.20.40.60.81.0F (w)f (GHZ)F1F2比较不同输出脉冲信号波形，可确定输入信号脉冲波形，天比较不同输出脉冲信号波形，可确定输入信号脉冲波形，天线中心频率及带宽等参数范围线中心频率及带宽等参数范围(2) 输入脉冲信号频谱输入脉冲信号频谱 24424424240423323230332222202222112102/1112002000/ )10210()exp()4123(3/1)(/ )626()exp()23(2/ )63exp()639/()(/6)exp()21()(/2)exp(2)(/2ln4)exp()

18、(TtttUtUTtttUtUTtUttUTttUetUTtUtU 4442424204333232/3303222222021112211010200/1054)4(exp)64/()(/63922 , 1 , 0,2)12( jexp)4(exp)66/()(/62)4exp()4/()(/22 , 1 , 0,2)12( jexp)4(exp2)()4(exp)(TeUFTkkeUFTeUFTkkeUFUF 各阶高斯函数的频谱计算各阶高斯函数的频谱计算各阶高斯函数频谱图各阶高斯函数频谱图-20246810121416182022-1.0-0.50.00.51.0 U0 U1 U2 U3

19、U4 U(t) t(ns) 0.00.51.01.52.00.00.20.40.60.81.0 P0 P1 P2 P3 P4 f0 P(f0) 依据输出脉冲信号频谱及输入脉冲信号波形，确定输入脉依据输出脉冲信号频谱及输入脉冲信号波形，确定输入脉冲脉宽参数冲脉宽参数 输入脉冲信号采用一阶高斯函数输入脉冲信号采用一阶高斯函数 输入脉冲信号脉宽选择标准输入脉冲信号脉宽选择标准5.3.4 天线参数天线参数(1) 天线长度天线长度谐振点频率谐振点频率2)12(2 kl天线谐振点频率应该与输出信号的中心频率相等天线谐振点频率应该与输出信号的中心频率相等，由此决定，由此决定天线的长度天线的长度(2) 天线其它参数的优化计算天线其它参数的优化计算 金属导体半径金属导体半径 圆锥尺寸优化圆锥尺寸优化 缝隙宽度优化缝隙宽度优化 时域波形优化时域波形优化 时域方向图优化时域方向图优化010203040-0.9-0.8-0.7-0.6-0.5-0.4-0.3-0.2-0.10.00.10.20.30.40.50.60.70.8 E V/m 30 60 900204060801001201401601800.00.20.40.60.81.01.21.41.6 峰峰值Theta Phi=0时(3) 天线加载天线加载1020)/1(/1)( RhzRhzzRhR2000 1)/2ln(20 rh