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;②為外導體板;③為電流環調節器;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(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構成的阻抗漸變型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)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

　　天線中的電流環為并聯諧振回路，隨著頻率的提高，電流環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，電流環為小環輻射器，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輻射器，可以應用大電流環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磁振子均嚴重失諧，分別處于短路和開路狀態。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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