基于超材料的低频高增益阵列天线设计.docx

《基于超材料的低频高增益阵列天线设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于超材料的低频高增益阵列天线设计.docx（21页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、摘 要：本文对全向天线的增益性能进行了研究，设计了一种高增益天线，工作在频率大约为2.4GHz，当它在工作频率范围内工作时，天线的驻波比小于2。同时，本文分析了高增益天线的基本原理、阵列结构以及加载技术，通过改变阵列间加载间距的大小，压缩在水平面的方向图。本设计主要通过有限积分法的电磁仿真技术来实现，并通过CST仿真技术得到天线的方向图和回波损耗的相关数据，进而构建天线的实验模型，仿真比较了影响天线特性的几个因素，从而得出一些结论。通过制作实物模型，并用矢量网络分析仪测出数据，验证仿真结果的正确性，表现出的结果具有较好的一致性，天线的高增益性能得到了验证。超材料是一种特殊的结构材料,它的特殊之

2、处在于人工合成即是自然界中不存在的一种材料，所以与自然界中固有材料相比，它有很多固有材料都没有的独特性质。现如今，超材料在很多方面发挥了巨大作用，例如增强天线性能、电磁隐身等。在机载雷达中最重要部件之一便是高增益天线，而低频段雷达比较擅长探测隐身目标，而在P波段（米波频段），物理口径与天线阵增益难以同时达到理想效果。因此，针对P波段的高增益阵列天线兴起了越来越多的研究。人们发现，将超材料加载到天线上可以提高天线增益，通过研究实践后，结果天线的增益确有提高。但这种增益主要是针对高频单一天线，然而这类天线用超材料改良后，使得天线的占用面积增大很多。对于在P波段（米波频段）的低频高增益阵列天线，仍缺

3、少理论依据和实践成果。在本文中，我们设计了一种一维阵列天线，当它在P波段下工作时，通过加载超材料使其实现高增益，即在此背景下展开了研究。1.高增益全向天线的特点和实现方式1.1单极子天线，偶极子天线偶极天线和单极天线的实用范围很广，在通信、广播、电视、导航、雷达、遥测以及遥感等工程系统中均有涉足。它们从长波到微波波段都可应用，而且不仅可以单独工作，也可充当阵列天线的一个独立阵元，还可以作部分天线的某些结构，总体来说它们比较简单且容易制作。一般地，具有对称双臂的天线即为偶极天线，亦称“振子天线”、“对称振子”，所以也可以说它是一种中心馈电的对称振子。如果天线拥有不对称双臂，则称之为不对称天线，例

4、如不对称偶极天线和单极天线就是典型的不对称天线。当单极天线的底是无限大理想导电平面时，则可用镜像法求它的电参数（例如单极天线的输入阻抗等于同结构尺寸的偶极天线的一半），对地面以上半空间而言，其方向图也是相同的。图1-1 无限大理想导电平面接地直立单极天线无限大理想导电平面上（接地）直立单极天线如图1-1所示:1.2 螺旋电感加载天线1.2.1加载天线加载天线的类型有多种，我们可通过元件与天线的加载方式，将之分为串联和并联两种加载，而这两种加载方式还可细分为三种类型，分布型、集中型和混合型。其中串联型分布加载天线的特点是其电流与天线中连续分布的轴向场强成比例。我们可以利用电阻棒来制作这类天线，例

5、如在介质棒上均匀敷上碳膜，使它的内阻抗有规律的分布，在接通电源后，天线电流呈现行波分布，它们有较宽的阻抗带宽。串联型集中加载天线的特点是天线的某两点间有一个集中的加载元件，譬如在线天线的某两点间插入集中的电阻、电感或电容等。如下图所示：图1-2 天线中加入电阻 本设计采用的是串联型集中加载。 并联型分布加载天线的特点是在它的加载处的电流大小与径向场强成一定比例，电流的方向与天线轴垂直。这类天线比较简单的一种便是在表面上敷上介质涂层的天线。我们把并联型分布加载天线中的加载压缩为一个非常小的部分，其他结构不变，则此天线就成为并联型集中加载天线。例如，我们将一个薄金属圆片加载于天线上并与天线轴垂直就

6、是一种简单的并联型集中加载天线。1.2.2 电感线圈的几个重要参数1、电感量L电感量L是电感线圈的固有属性，不随其他参量（如电流）的变化而变化。它以特定名称标明，在线圈上一般没有单独针对电感量的标示。2、感抗XL当线圈有交流电通过时，线圈会产生电感，而产生的电感会对交流电有一定的阻碍作用，这种阻碍作用即感抗XL，它与电阻的单位一样都是欧姆。3、品质因数Q在一定频率的交流电下工作的回路中感抗XL与其等效损耗的电阻之比定义为Q，即：Q=XL/R。 1.2.3 电感加载单极子天线的特点给天线加载后，可使它的电流在一定范围内呈行波分布，从而使其在输入阻抗和辐射方向图等方面呈宽频带特性。对于电感加载天线

7、，虽然没有显著改善它的宽带性，但在效率、定向性及增益等方面的性能有所提升。电感加载单极子天线在几何结构上进行了改良，有效解决了物理口径与天线阵增益的矛盾。与轴式螺旋天线相比，在减缩尺寸四分之三的情况下还提高了增益。因为该天线同时实现了小尺寸和高性能，所以广泛应用于那些对环境美观有要求或点对点、点对多的天线铺设。1.3 高增益天线与全向天线1.3.1 全向天线全向天线，它的辐射无方向性，所以在水平方向图上的辐射角为360，且可通过垂直方向图看出，它的波束有一定宽度，一般情况下波瓣宽度与天线增益呈负相关。由于全向天线具有传播范围广阔的优势，所以这类天线通常在郊县大区制的站型中使用颇多。1.3.2

8、高增益天线高增益天线具有相对狭窄的辐射方向，因为它把能量集中到一定的方向，也因如此才体现出在这些方向的增益效果。简单来说增益即天线把输入功率集中辐射的程度。2.有限积分法（FIT）与CST仿真技术 本章主要介绍有限积分法的基本数值计算方法，并对CST仿真软件作了简要介绍。2.1 有限积分法介绍数值分析有场域离散化和数学方程离散化两个方面。场域离散化大致包括两个方面，一方面是对网格的划分、编号，另一方面是对不同介质交界面的处理;方程离散化可理解为把连续的方程变为离散方程，且这种离散方程可用网格点上的场值表示。而FIT在场域和方程离散化中各有独特的优势,接下来对各自作出分析。2.1.1 场域离散化

9、图2-1-1 因为FIT 在场域离散化中仅对交界面的处理有独到之处，所以仅在此方面作简单分析。FIT明显的优点在于它的亚网格。我们举一个最简单的例子来区分优劣，如图2-1-1，用网格来描绘曲线。图2-1-1(a)只用了网格的两边来描绘，描绘结果与原来的曲线偏差较大。图2-1-1(b)用了网格的两边和斜边来描绘，描绘结果的偏差程度比图2-1-1(a)小。图2-1-1(c)用前两种方式且利用亚网格来描绘, 描绘结果在三种方法中偏差程度最低且描绘时用的网格最少。FIT的原理和图c相同，偏差较小。212.1.2 方程离散化FIT在麦克斯韦方程组积分形式中发挥的作用如下： (1) (2) (3) (4)

10、 先看方程(1)，该方程既有线积分也有面积分；对于方程左边，我们可以做这样的处理，即： (5)我们还需确定(5)式的积分区域，此时不妨引入网格单元充当积分的微元，如此一来，积分元的方向将与网格线平行。而且，由于积分中与积分线垂直的分量对积分无贡献，所以为了使方程更加简便，我们不妨用平行于网格线的场强分量来代替场强，便可化解式中点积，且并不影响积分结果，如图2.3所示。则方程(1)的左边化为： (6)图2.2 一维线积分数值近似图2.3 单一网格单元及场量分布因为方程(1)右端也是点积，所以我们和上面的处理方法相同，即用的分量（与面元平行）来代替它，利用(5)式，得： (7)联立(6)式(7)式

11、得： (8)至此，我们成功在一个网格上离散了方程(1)。将此方法应用于所有网格，就会得到一组离散的，位于网格一定位置的和的不同分量，也就是说连续的场和被一很大维数的包含场分量的列矢量所替代。2.2 CST仿真软件介绍电磁仿真软件主要应用的是数值法，数值法主要包括三种算法，即有限元法(FEM)、有限积分法(FIT)和时域有限差分法(FDTD),其中有限积分法通过“CST微波工作室”（英文名称CST MICROWAVE STUDIO简称CST MWS）来实现，它将七个工作室子软件集成于在同一平台上，工作有效且精确。它能对所有电磁器件进行全面的级数值仿真分析，尤其在天线的设计与仿真领域，更有其独特的

12、优势。3.高增益全向天线的设计与研究本章采用CST仿真技术对高增益全向天线进行了仿真模拟与设计，同时测算了天线的一些重要参数如螺旋圈数，并分析了当天线接地时会对增益产生如何的影响，最终根据理论依据作出了实物。3.1 高增益全向天线的设计首先通过仿真软件CST来模拟设计天线。制作一根具有垂直三元阵的加载电感线圈的分段线天线。因为相控阵的所有元都有电缆线相连，所以两两阵元间应有相同的间距。第一段长度为6.5cm，添加第一个电感线圈（4圈，高度为1.5cm，线圈半径为0.5cm，以下相同），第二段长度为7.5cm，添加第二个电感线圈，第三段长度也为7.5cm，再添加一个电感线圈。最上段长度为13cm

13、，这样就完成了天线的设计。3.2 CST仿真技术在高增益全向天线设计中的应用在对天线进行建模中，使用CST仿真软件画出了高增益全向天线的螺旋加载和接地板等构件。3.2.1 螺旋电感线圈的构建首先运行cst微波工作室，选择一个和准备建立的模型形状相当的图形（这里选择螺旋天线），然后选择curves-new curve,再画一个圆如图所示：图3-2-1 画一个圆环 接下来选择cover planar curve，把圆变成圆面，如图3-2-2图3-2-2 将圆环变成圆面再选中这个面，选择rotate，如图3-2-3所示 图3-2-3 选择圆面的旋rorate提示选择旋转轴如图在其中填入一些数值就完成

14、螺旋电感的建立了，angle中6*360表示电感有6圈height表示电感总长度，radius ratio表示螺旋的半径，材料选择PEC。点ok就完成了电感的建立如图3-2-4： 图3-2-4 螺旋电感模型3.2.2普通单极子模型的构建和研究对普通单极子天线进行建模如图3-2-5所示，不难测得它的总长为145mm图3-2-5 单极子天线模型对普单极子天线进行仿真，测得其阻抗特性如图3-2-6所示：图3-2-6 普通单极子天线的阻抗特性图 因为该天线的总长为145mm，而天线尺寸是波长的四分之一，可知在0.5GHZ左右的地方出现峰值，3-2-6显示的是单极子天线的S11图，S11是网络一号端口的

15、反射系数，它是天线的一个重要参数，可通过入射电压和反射电压的比值来确定，类似于反射系数的另一个重要参数是回波损耗，回波损耗则可通过入射功率与反射功率的比值来确定。除此外，天线的电压驻波比也是一个很重要的数据，它是波腹电压与波节电压的比值，实际上电压驻波比被认为是反射系数的另一种表达式。单极天线的一个很大的缺点是效率很低，大约只有百分之几甚至千分之几，在单极天线上某点接入一定大小的感抗之后，可以抵消一部分该点以上线段在这一点所呈现的容抗，从而使加载点以下的电流加大，天线的辐射功率也得到加强。3.2.3用CST构建高增益全向天线模型1. 创建模板：在启动CST微波工作室之前，它会弹出一个对话框提示

16、我们选择一个最合适仿真器件的模板。如图：图3-2-7 仿真器件的模板选择注意此模板已经默认了单位和背景材料，分别是mm、Ghz和真空。设置工作平面：下一步，我们需要设定一个相对仿真器件来说足够大的工作平面。接下来，我们将该模型的工作平面大小设为100mm（因为在坐标轴方向本结构的最大伸展要小于100mm），从主菜单中选择EditWorking Plane Properities，便可打开一个对话框，更改此设定。如下图所示图3-2-8 工作平面的设定 在此对话框中，将size设置为100（单位先前设定好的mm，您可随时在状态条上看到）。将Raster Width和Snap width分别设置为1

17、0和0.01，以得到一个合适 的栅格间距，并点击OK按钮确认。绘制仿真模型：在该设计中，用CST仿真软件将高增益全向天线的尺寸模型绘制为a=26，b=25，c=11，n=5，h1=64，h2=3，r=0.5，R1=2.5，R2=2，R3=10，R4=1.15，单位mm（由以上的仿真模板以定义）。Z=0位于接地面上表面。其理论模型如下：图3-2-9 高增益全向天线的理论模型构建建模步骤：已知c和n的值利用下面的程序描绘出上下带有直线段的螺旋。螺旋的起点为（R1,0,0）；将螺旋移动到x=0处，再向上平移h2+a个单位；构建最下端的振子柱体；将振子柱体与螺旋合并成一体重复移动两次；构建h1的柱体；

18、构建接地面的柱体；选中两个面，采用集中端口，将材料全部设置为PEC。分析：本天线的工作频率设计在2.4Ghz左右。由=cf得 =125mm，2=62.5, 4=31；c+2b=61/2。在CST软件中绘制高增益全向天线的仿真模型如下图所示图3-2-10 高增益全向天线的仿真模型3.3仿真结果的处理分析高增益全向天线的仿真模型绘制好后，将波导端口号输入后，就可以进行仿真并计算反射参数了。打开波导对话框（Solve-waveguide Ports）定义端口（如下图所示）以上天线尺寸的仿真结果如下。图3-2-11 波导端口对话框定义频率范围对CST微波工作室的瞬态求解器来说，频率范围设置不合理，尤其

19、是值太小时，会影响它的性能，所以我们应该在瞬态仿真时使用较大的带宽（20%100%）在本设计中，我们见计算频率从13Ghz的S参量。定义求解器参数并开始计算选择主菜单solver-Transient Solver 或点击相应的工具栏图标，可打开求解器控制对话框，在此定义求解器参数。 图 5-2-12 求解器控制对话框缺省设置保持不变，点start按钮开始计算，界面下方将弹出一个进度条，显示计算中的相关信息。进度条自动消失后，求解结束，成功仿真出高增益全向天线。如下为仿真结果。1D结果（端口信号，S矢量）首先观察端口信号，打开导航树中1DResults文件夹并点击Port signals。图3-

20、2-13 波导端口如涉及反射波幅度随时间的变化此图显示了波导端口入射及反射波幅度随时间的变化，入射波为i1（对应端口名：1）。反射波为o1，1。 S参量图3-2-14 反射参数图天线的主要结果之一是S11，这通过导航树文件夹1D Results|S|dB就可看到。图3-2-14显示的就是反射参数，由图可知此时频率为1.70Ghz；3.3 高增益全向天线的制作与测试高增益全向天线的制作过程如下：以上仿真过程的原天线尺寸a=26，b=25，c=11，n=5，h1=64，h2=3，h3=3，r=0.5，R1=2.5，R2=2，R3=10，R4=1.15，单位mm。z=0位于接地面上表面。建模步骤：已

21、知c和n的值利用下面的程序描绘出上下带有直线段的螺旋，螺旋的起点位于(R1,0,0)；将螺旋移动到x=0处，再向上平移h2+a个单位；构建最下端的振子柱体；将振子柱体与螺旋合并成一体重复移动两次；构建h1的柱体；构建接地面的柱体；选中两个面，采用集中端口，材料全部为PEC。分析：f=2.4GHz，=125mm，/2=62.5，/4=31；c+2b=61/2； 图3-3-1 仿真模型天线尺寸根据以上理论模型尺寸，建立实物天线模型。首先，用钳子从所购买的直径为1mm的纯铜丝截取一段，长度为15cm，用铁钳等工具将铜丝拉直。根据先前设计时所得到的数据用直尺量好需要制作线圈的地方（分别为5.5cm、7

22、.5cm、7.5cm），找一根直径为4mm的塑料棍，再将铜丝在所在点沿着塑料棍缠绕4周，并且保证垂直方向上总高度为1.5cm，缠绕成的线圈作为馈电结构。绕好3次后将最后一段长度测出为6.5cm并将多余的部分剪掉。用电烙铁将天线焊接在一个具有有SMA专用接口（因为测试时的路由器接口为SMA口）的接头，而且接口上有约1cm2的接地板。做出的天线模型如图3-3-2所示： 图3-3-2 高增益全向天线的实物图3.6 误差分析1、由于在制作天线模型过程中都是手工制作，在尺寸和绕弯时存在很多误差，并不能十分精确地达到仿真时天线的要求。2、仿真时的接地面是用软件制作的网状接地板（由于CST自带的实心接地板不

23、能有效地仿真），而测量的时候的接地板是实心的。3、测量时仪器使用及人为其他方面误差。4.总结与展望随着现代通信技术的不断发展，对阵列天线的研究已经成为一个重要课题而阵列式天线的飞速迈进更使这一研究成为当前的前沿课题之一。本文主要研究了高增益全向天线的制作并对其性能做了简要分析，总体内容如下：首先，作者介绍了高增益线全向天线研究的背景与意义，在此背景下，介绍了天线的一些基础知识，包括天线的带宽、驻波比和增益等，并介绍了有限积分法和仿真技术为后文做了铺垫。然后，通过仿真软件CST设计和仿真了一根高增益全向天线，并且针对天线性能等相关的因素进行了研究并得出结论。最后，根据软件仿真所得天线的相关数据（如长度等），制作一根相同的天线，同时制作一根长度相同的普通天线，并进行了误差分析。回顾整个研究过程，我体会到，虽然新型天线结构层出不穷，但其设计基本原理仍然要回归到最基础和最直观的层面。我从中学习到许多与天线相关的知识，同时我也学会了如何使用CST、矢量网络分析仪等软件和工具。