超宽带脉冲辐射天线的馈源设计与优化

孙 博，邱景辉，林 澍，邓维波

(哈尔滨工业大学电子与信息工程学院，哈尔滨 150001)

近年来，由于目标识别、成像、反隐身和电子对抗等方面越来越高的要求，现代雷达及通讯设备的频段及频宽在不断扩展，因此作为系统中主要的能量辐射和接收装置，超宽带脉冲辐射天线成为国内外研究的热点[1-2]．这类天线目前主要有加载振子天线[3]、TEM喇叭天线及其变形结构[4]，以及反射面脉冲辐射天线等类型[5]．其中，反射面脉冲辐射天线以其增益高、定向性好等特点，成为目前应用最广泛的脉冲辐射天线．通常，反射面脉冲辐射天线由抛物面和馈源2部分组成，其中馈源部分是设计的重点．馈源主要包括4个圆锥共面的馈电臂以及阻抗变换馈电网络．目前馈电臂的外形普遍设计成三角形[6]，但是此形状的馈电臂与抛物面的连接处匹配性较差，从而限制了天线的阻抗带宽，对天线增益也有影响．另外，从频域的角度考虑，在超宽频带内脉冲辐射天线的输入阻抗约为200,Ω[7]，因此必须进行馈电网络的设计．本文对脉冲辐射天线的馈源进行设计与优化，首先采用梭形馈电臂作为天线馈电结构，通过 CST Microwave Studio®仿真软件详细研究了馈电臂边界形状和馈电臂间夹角对天线性能的影响；然后设计了能够同时完成阻抗变换和不平衡-平衡转换的馈电网络；最后将馈电网络与馈电臂结合形成天线馈源的整体结构，制作了天线实物并进行实验研究，验证了仿真分析的正确性．

1 天线结构与原理

笔者设计的脉冲辐射天线基本结构如图1所示，其馈电臂的馈电点位于抛物面的焦点处，为了有效利用抛物面口径，令馈电臂的末端为抛物面的边缘处上的点．为了减少连接处的不连续性，使馈电臂与反射面匹配良好，采用梭形馈电臂的设计；同时，将馈电臂所在平面垂直于抛物面口径放置，以减少馈电臂对辐射的遮挡．

图1 脉冲辐射天线模型示意Fig.1 Geometry of impulse radiating antenna

对脉冲辐射天线的研究可以从时域和频域 2方面进行分析．从时域的角度，脉冲辐射天线可以辐射短脉冲信号，其作用相当于输入波形的微分器．当用一个快速上升的阶跃脉冲激励时，天线轴线处的辐射场近似为一个窄脉冲，远场辐射信号的电场可表示为式中：V(t)为激励电压波形；V0为激励电压波形的峰值，在定义为 Sa的口径上对口径场的切向分量做面积分．

对脉冲辐射天线时域性能的考察，主要为脉冲信号的保形性．通常用式(5)定义的波形保真系数进行定量研究．

式中：x(t)为天线远场轴线处的辐射信号；y(t)是模板信号，这里取y(t)＝dV(t)/dt．远场区天线辐射的脉冲信号为空间和时间的函数，所以波形保真系数仅为空间角度的函数，对于本文所研究的天线来说，最重要的是天线轴线方向远场区的波形保真系数．波形保真系数表征了天线的辐射脉冲信号与输入信号之间的相关性，完全无失真的情况下，ρ＝1；而辐射信号严重失真时，ρ≪1．实际应用中，信号不可能完全无失真，通常只要保证ρ≥0.9即可认为信号正常辐射．

由于时域与频域可以借助傅里叶变换相互映射，时域的短脉冲信号映射到频域中可以覆盖极宽的频谱范围，因此，从频域的角度，脉冲辐射天线是一种超宽带天线．考察其频域特性时，首先要求其具备很宽的阻抗带宽，同时为了增加辐射脉冲的峰值，要求天线具有较高的增益．

对于脉冲辐射天线的设计，由于时域的分析较为复杂，因此通常先分析脉冲辐射天线的频域性能，考察其阻抗带宽和增益，获得良好的超宽带特性后，再计算时域中辐射脉冲信号的波形保真系数，以保证天线可以较小失真地辐射脉冲信号．

2 天线的仿真分析

2.1 馈电臂边界切削长度的影响

对于脉冲辐射天线普遍采用的三角形馈电臂设计，随着距馈电点距离的增大，馈电臂上的电流密度呈现减小的趋势，但是馈电臂末端与抛物面边缘相接处的电流密度较大，该电流主要是由于馈电臂的边界形状引起的，对天线的阻抗及辐射特性有较大影响[9]．将馈电臂边界形状设计为梭形结构可以改变三角形馈电臂底端电流积聚的条件，从而降低能量聚集，扩展天线的带宽．梭形馈电臂终端的形状对天线性能的影响非常关键，设馈电点与梭形馈电臂切削点之间距离为 L，如图 1(a)所示．分别取 L＝200,mm(L＜F)、L＝222,mm(L＝F)和 L＝240,mm(L＞F)对天线进行仿真研究．图 2(a)为取不同 L值时天线的反射损耗，可以看出，L＝F时，天线阻抗带宽最宽，满足反射损耗低于-10,dB的频带宽度可以达到 1.2～16.7,GHz；L＞F时，天线低频段起始工作频率与 L＝F时相差不大，高频段性能变差，阻抗带宽减小，但仍可工作于 1.6～16.1,GHz的超宽频带；L＜F时，反射损耗值变化非常剧烈，工作带宽最窄．图 2(b)为取不同L值时天线的增益．由图可见，3种情况下，天线的增益均随频率的增大而增大，低频段增益数值相差不大，高频段 L＞F时增益值比 L＝F时稍低，而 L＜F时增益虽略高但曲线起伏较大，在整个频段内，L＝F时增益值随频率变化最为平缓．

图2 不同L的仿真结果Fig.2 Simulation results of different L

综上可知，对于梭形馈电臂的设计，切削长度 L的变化对天线低频段性能影响较小，而对高频段影响非常明显．当选取合适的切削长度 L＝F时，不仅能够获得极宽的阻抗带宽，同时也能获得稳定的高增益值．

2.2 电臂间夹角的影响

脉冲辐射天线采用 4个圆锥共面的馈电臂共同作用为抛物面进行馈电，因此馈电臂之间的夹角度数也是影响天线性能的重要因素．以第2.1节中得到的天线模型为基础，研究馈电臂间夹角度数对天线辐射性能的影响，分别取 φ0＝10°、20°、30°、45°和 60°进行仿真分析．

图3(a)显示了采用不同φ0时天线反射损耗的仿真结果．可以看出，φ0从 10°增大到 45°时，天线低频段性能相差不大，高频段略有差异，满足反射损耗低于-10,dB 的阻抗带宽先增大后减小，φ0＝20°时天线阻抗带宽最宽，达到 0.96～18.7,GHz；当 φ0增大到60°时，天线低频段和高频段的性能均明显变差，阻抗带宽进一步变窄．

图3(b)为天线增益的仿真结果．由图可见，当φ0在10°～30°之间变化时，天线增益值在低频段相差不大，高频段有差别，总体而言增益值较高；当 φ0增大到 45°和 60°时，天线增益逐渐变小，且高频段增益起伏非常明显；在整个频段内，φ0＝20° 时天线增益值最大．

图3 不同φ0的仿真结果Fig.3 Simulation results of different φ0

综上可知，φ0的取值在小于 45°的一定范围内时，天线整体性能较好，可工作于超宽频带，并可获得很大增益；当 φ0值增大至 45°以上时，天线性能明显变差．对于本文设计的 L＝F梭形馈电臂，φ0＝20°为最优值．

2.3 线辐射性能分析

根据以上仿真分析得到的参数最佳值建立模型，图 4为设计的梭形馈电臂超宽带脉冲辐射天线分别在2,GHz、8,GHz、14,GHz和20,GHz时归一化方向图的仿真结果．从图中可以看出，该天线在其主辐射方向波束宽度较窄，具有非常好的定向性；在各频点 E面和H面的波束宽度相近，口径场均匀．

从时域特性来看，由于脉冲辐射天线的作用相当于一个微分器，采用高斯脉冲激励时，在天线远场轴线处得到的应该是微分高斯脉冲．图 5显示了远场辐射波形与微分高斯脉冲模板信号波形的比较，可以看出二者非常相似，经计算可得脉冲波形保真系数为0.93，说明信号可以较小失真地辐射，天线时域性能良好．

图4 天线的归一化方向Fig.4 Normalization radiation pattern of the antenna

图5 天线远场辐射波形Fig.5 Radiation waveform of the antenna

2.4 馈电网络设计

脉冲辐射天线的4个馈电臂为平衡对称结构，其输入阻抗约为 200,Ω，当采用 50,Ω 同轴线(不对称线)馈电时，必须考虑馈电网络的设计，此馈电网络需要同时完成不平衡-平衡转换以及阻抗变换的要求．由于天线工作于超宽频带，所以馈电网络的阻抗变换部分也应该是超宽带的．笔者设计了一种双面指数渐变微带线-双线超宽带巴伦，其基本结构如图6所示．此巴伦的始端为微带线结构，这种不平衡结构的传输线便于采用同轴线馈电；中段地板和上带条同时采用指数渐变结构，达到阻抗变换的目的；末端地板与上带条变化为相同宽度，形成平衡的平行双线结构，可以与天线相接，这样就同时实现了阻抗匹配与平衡-不平衡变换．

选取相对介电常数 εr＝2.32、厚度为2,mm 的聚四氟乙烯板作为基片，经过仿真优化得到超宽带巴伦的最终参数为：长度L＝200,m，始端上带条宽度W1＝6,mm，微带地板宽度 W2＝30,mm，末端平行双线宽度W＝0.8,mm．图7为巴伦的反射损耗和插入损耗的仿真结果，可以看出，该超宽带巴伦可以在 0.9～20,GHz的频带范围内满足反射损耗低于-10,dB，同时在此频带内插入损耗|S21|＞-0.6,dB，性能良好．

3 实 验

根据理论分析及仿真研究结果，加工制作了脉冲辐射天线实物，如图 8(a)和(b)所示．其中馈电网络与馈电臂按照图 8(c)所示连接起来，即馈电网络的上带条末端接1、4馈电臂，同时馈电网络的地板末端接 2、3馈电臂，从而形成了天线馈源的整体结构，可通过 50,Ω的 SMA接头直接馈电．馈电臂末端与抛物面直接相接，在固定馈电臂时采用如下方法：①使用相对介电常数与空气接近的泡沫贴于抛物面边缘处对梭形馈电臂进行固定；②在抛物面与4个馈电臂的末端接触处钻 4个小孔，将馈电臂末端深入孔中，以提高连接的可靠性．利用 ANRITSU 37247D矢量网络分析仪在标准微波暗室中对天线进行了测量．

图8 超宽带脉冲辐射天线实物模型Fig.8 Entity of the ultra-wideband impulse radiatingantenna

图 9是天线反射损耗的测量结果与仿真结果的比较．从图中可以看出，实测值满足反射损耗低于-10,dB 的频带宽度为 0.97～18.8,GHz，与仿真结果变化趋势一致．图10和图11为工作频率分别为2,GHz、8,GHz和 14,GHz的天线归一化方向图测量结果．从图中可以看出，天线主瓣的测量结果与仿真计算结果吻合得较好，副瓣电平存在一些差异，主要由于测试环境中金属转台的影响造成的；另外，由于天线馈电臂加工及安装的误差导致各个馈电臂所在平面并不完全垂直于抛物面口径，也会造成副瓣测试误差较大，但是对主瓣的测试结果影响不大．在2,GHz、8,GHz和 14,GHz下增益的测量值分别为 15.4,dB、27.9,dB 和 30.1,dB，与仿真结果 16.3,dB、29.2,dB 和32.6,dB相近．

图10 天线归一化方向图测量与仿真结果比较(E面)Fig.10 Comparison of the normalization radiation pattern be-Fig.10 tween measurement and simulation results(section E)

图11 天线归一化方向图测量与仿真结果比较(H面)Fig.11 Comparison of the normalization radiation pattern between measurement and simulation results (section H)

4 结 语

本文对超宽带脉冲辐射天线的馈源进行设计与优化，以梭形馈电臂为基础，详细比较了不同切削长度时天线的性能，通过电磁仿真得到最佳切削长度为L＝F．研究了馈电臂之间夹角度数对天线性能的影响，仿真结果表明，当 φ0＝20°时，可以有效改善天线的性能，扩展天线阻抗带宽并提高天线增益．优化后的天线整体性能良好，脉冲信号拖尾较小，信号保形性好．为满足阻抗变换和不平衡-平衡转换的要求，详细设计了天线的馈电网络．根据仿真优化后的参数制作了天线实物，实测结果表明，该天线反射损耗值低于-10 dB的频率范围达到0.97～18.8 GHz，且具有增益高、定向性好等优点，可广泛应用于超宽带通信、脉冲雷达以及无线电监测与管理等系统．

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