超寬帶電磁學及應用 第5章 超寬帶天線

1、5.1 超寬帶天線概述超寬帶天線概述5.1.1 超寬帶天線的主要特征超寬帶天線的主要特征寬帶頻率響應寬帶頻率響應天線參數(shù)天線參數(shù)方向圖方向圖輻射效率輻射效率有效長度有效長度輸入阻抗輸入阻抗極化特性極化特性寬帶電路：饋電與接收均為寬帶電路寬帶電路：饋電與接收均為寬帶電路參數(shù)折中優(yōu)化參數(shù)折中優(yōu)化(1) 寬帶特征寬帶特征不同長度槽天線不同長度槽天線S參數(shù)參數(shù)不同長度槽天線阻抗不同長度槽天線阻抗AR with different angle ( =0)AR with different frenquncy( =0， =0)(2) 波形保真技術波形保真技術相關接收相關接收高保真度高保真度成像要求成像要求

2、拖尾信號幅度與時間限制拖尾信號幅度與時間限制(3) 收發(fā)天線與饋電、接收電路一體化設計收發(fā)天線與饋電、接收電路一體化設計寬帶傳輸寬帶傳輸寬帶匹配寬帶匹配一體化設計一體化設計隔離與干擾隔離與干擾5.1.2 常見的寬帶與窄帶天線常見的寬帶與窄帶天線 半波偶極子天線半波偶極子天線是典型的窄帶天線，輻射是典型的窄帶天線，輻射UWB信號色散嚴重信號色散嚴重 對數(shù)周期天線對數(shù)周期天線為常見的寬帶天線，但拖尾振蕩嚴重為常見的寬帶天線，但拖尾振蕩嚴重 常見常見平面漸變天線平面漸變天線是較為理想的是較為理想的UWB天線天線020406080100-3.0-2.5-2.0-1.5-1.0-0.50.00.51.0

3、1.52.0 E(V/m)Time(ns) 加載電阻 不加載電阻窄帶偶極子天線窄帶偶極子天線對數(shù)周期天線對數(shù)周期天線平面漸變天線平面漸變天線5.1.3 描述超寬帶天線的主要參數(shù)描述超寬帶天線的主要參數(shù)波形保真系數(shù)波形保真系數(shù) )d()()(2112ftft能量方向圖能量方向圖 ttEttEfed),(maxd),(),(2,2 -80-60-40-200204060800.00.20.40.60.81.0 normalrized amplitude (V)angle (degree) antenna array fitting curve antenna element fitting cur

4、ve能量輻射效率能量輻射效率 ttItVtrtrEeinputinputttransd)()(dddsin),(200202 Oliver E.Allen,David A.Hill,Arthur R.Ondrejka,Time-Domain Antenna CharacterizationsJ,IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility,vol.35,pp.339-345,August 1993. 輻射阻抗輻射阻抗 ttItrtrERinputttransradd)(dddsin),(2200202max 增益增益 ttItVttErG

5、inintransd)()(d),(4),(022 極化特性極化特性 ttEttEtransd),(d),(tan),(221max 天線波束角天線波束角 ttEttEtransttransad),(dddsin),(2max2002 有效面積有效面積 ttEttItVAinrereed)(d)()(),(02 有效高度有效高度maxmax),(),(incopeneEVh (1) 時域方向圖控制時域方向圖控制5.1.4 超寬帶天線幾個熱點研究問題超寬帶天線幾個熱點研究問題A 吸波材料或特殊介電材料方法吸波材料或特殊介電材料方法左手材料左手材料吸波材料吸波材料等離子體等離子體光子晶體光子晶體零

6、折射材料零折射材料B 加引向器加引向器左手結構引向左手結構引向C 加反射器加反射器聚焦前增益聚焦前增益聚焦后增益聚焦后增益D 龍柏透鏡聚焦龍柏透鏡聚焦E 優(yōu)化結構優(yōu)化結構(2) 拖尾信號抑制拖尾信號抑制(3) 天線小型化天線小型化(4) 信號源與天線的一體化設計信號源與天線的一體化設計 超寬帶內外多通帶、阻帶設計超寬帶內外多通帶、阻帶設計 可重構天線可重構天線 共形天線共形天線 減小地的耦合效應減小地的耦合效應 THz 頻段天線與器件設計頻段天線與器件設計(5) 平面超寬帶天線平面超寬帶天線(6) 單元天線與陣列天線參數(shù)的關系單元天線與陣列天線參數(shù)的關系 陣元天線時間、幅值抖動對天線功率合成的

7、影響陣元天線時間、幅值抖動對天線功率合成的影響 由陣元天線參數(shù)快速計算陣列天線參數(shù)方法由陣元天線參數(shù)快速計算陣列天線參數(shù)方法 陣元天線的耦合效應與陣列天線的布陣方式陣元天線的耦合效應與陣列天線的布陣方式 陣列天線布陣方式與波束掃描方案陣列天線布陣方式與波束掃描方案點源近似模型點源近似模型5.3.1 Vivadi天線天線1979年年 Gibson提出，以作曲家提出，以作曲家Vivaldi名字命名名字命名 指數(shù)漸變槽天線指數(shù)漸變槽天線 (Vivaldi)最常用最常用 線性漸變槽天線線性漸變槽天線 (LTSA) 固定寬帶槽天線固定寬帶槽天線 (CWSA)(1) Vivaldi天線結構天線結構指數(shù)漸變

8、曲線函數(shù)通常表為指數(shù)漸變曲線函數(shù)通常表為5.2 超寬帶天線設計舉例超寬帶天線設計舉例 )(expcybax 其中，其中，a、b、c 為系數(shù)為系數(shù)指數(shù)漸變曲線函數(shù)也可以化簡為指數(shù)漸變曲線函數(shù)也可以化簡為 bxayln(5.2.1)(5.2.2)-100-500501000306090120150180210240270 y(mm)x(mm)異面槽天線機械結構設計異面槽天線機械結構設計(2) Vivaldi天線特征天線特征 Vivaldi是一種印刷微帶天線，結構簡單、成本低廉，易集成是一種印刷微帶天線，結構簡單、成本低廉，易集成 高增益、線極化、增益穩(wěn)定的高增益、線極化、增益穩(wěn)定的UWB天線天線

9、頻帶范圍內，波束寬度穩(wěn)定頻帶范圍內，波束寬度穩(wěn)定 不同頻率成分在不同天線部位輻射不同頻率成分在不同天線部位輻射 縫寬為縫寬為0 mm時，低頻點最低；時，低頻點最低； 縫寬為縫寬為0 mm時，輻射帶寬內阻抗約時，輻射帶寬內阻抗約40 ；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(3) Vivaldi天線的仿真計算天線的仿真計算I

10、 饋電點縫寬對槽天線參數(shù)的影響?zhàn)侂婞c縫寬對槽天線參數(shù)的影響 II 天線長度對槽天線參數(shù)的影響天線長度對槽天線參數(shù)的影響 天線長度增大，低頻點下移，但移動幅度不大；天線長度增大，低頻點下移，但移動幅度不大； 天線長度增大，阻抗變化率加大；天線長度增大，阻抗變化率加大；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

11、III 天線寬度對槽天線參數(shù)的影響天線寬度對槽天線參數(shù)的影響 天線寬度增大，低頻點下移，但移動幅度不大；天線寬度增大，低頻點下移，但移動幅度不大； 天線寬度增大，阻抗變化率減小，但變化幅度很??；天線寬度增大，阻抗變化率減小，但變化幅度很??；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例：設計高功率一體化例：設計高功率一體化Vivaldi天線，并滿足如

12、下要求天線，并滿足如下要求 單元輻射系統(tǒng)能夠承受饋電脈沖的高峰值電壓；單元輻射系統(tǒng)能夠承受饋電脈沖的高峰值電壓； 饋電網(wǎng)絡的輸出阻抗與天線輸入阻抗匹配；饋電網(wǎng)絡的輸出阻抗與天線輸入阻抗匹配； 輻射天線為定向天線且具有較高的輻射效率；輻射天線為定向天線且具有較高的輻射效率；解：解： 設計思路設計思路 高壓要求高壓要求異面結構異面結構 集成設計集成設計高壓儲能、波形整形、微波傳輸、倍壓高壓儲能、波形整形、微波傳輸、倍壓 匹配要求匹配要求匹配網(wǎng)絡匹配網(wǎng)絡Blumlein線設計線設計 Blumlein形成線機械結構設計形成線機械結構設計 儲能電容參數(shù)儲能電容參數(shù) 2021CUin 光導開關輸出電脈沖波

13、形滿足光導開關輸出電脈沖波形滿足 )exp()(20tUtU 設設PCSS電壓轉換效率為電壓轉換效率為 U，天線阻抗，天線阻抗RA，輸出電脈沖能量，輸出電脈沖能量 out ttRUAUoutd)2exp()(220 0.00.51.01.5-20-15-10-50 標準 結 構 改進 結 構S11f (GHz)平行板電容器電容設計應滿足平行板電容器電容設計應滿足 ttRUCUAUd)2exp()(2122020 Blumlein線長度參數(shù)線長度參數(shù) 實現(xiàn)實現(xiàn)Blumlein線對線對lock-on鎖定脈沖截波，則鎖定脈沖截波，則rTcllT 22 vBlumlein線寬度參數(shù)線寬度參數(shù) 1/)1

14、208. 02258. 0(11)(3218ln)1(21201/758. 0)88. 1ln(11165. 0883. 037720120 hwhwwhZhwhwhwZrrrrrrrrr 微帶線阻抗經驗公式微帶線阻抗經驗公式依天線輸入阻抗、儲能電容、脈寬要求，可確定依天線輸入阻抗、儲能電容、脈寬要求，可確定Blumlein線長、寬、高參數(shù)線長、寬、高參數(shù)Blumlein線線S參數(shù)參數(shù) 頻率為頻率為 f 的電磁脈沖在介電常數(shù)為的電磁脈沖在介電常數(shù)為 r 的介質中的速度的介質中的速度 fcfcrr v考慮駐波條件考慮駐波條件 kl 2各駐波點頻率各駐波點頻率lckffkclrr 220.00.5

15、1.01.5-20-15-10-50 標準 結 構 改進 結 構S11f (GHz)一體化天線參數(shù)計算一體化天線參數(shù)計算 高斯脈沖的頻譜分析高斯脈沖的頻譜分析 高斯函數(shù)高斯函數(shù) )exp()(20tAtf )4exp(dcos)exp(2)(20020 AtttAF22ln4T 其中其中以幅值半峰值為標準，饋電脈沖帶寬以幅值半峰值為標準，饋電脈沖帶寬0,fh其中其中TfThhh2ln222ln4 一體化天線仿真與優(yōu)化一體化天線仿真與優(yōu)化 0.00.20.40.60.8-25-20-15-10-50 S11f (GHz) 對 稱 結 構 非對 稱 結 構I S參數(shù)仿真與優(yōu)化參數(shù)仿真與優(yōu)化0.00

16、.51.01.5-20-15-10-50 標準 結 構 改進 結 構S11f (GHz)II 時域波形與方向圖時域波形與方向圖681012141618-2.0-1.5-1.0-0.50.00.51.01.52.02.5 Et (ns) 偏 離 軸 線 60o 偏 離 軸 線 30o 軸 線 方向4060801001201400.60.70.80.91.0 非對稱對稱 relative field(V/m)angle024681012141618-0.50.00.51.0 對 稱 結 構 非對 稱 結 構E/E0t (ns)III 非對稱一體化天線非對稱一體化天線例例2 單極子天線用于單極子天線

17、用于200 ps高斯信號發(fā)射高斯信號發(fā)射-200204060801001201401601802000.500.550.600.650.700.750.800.85 H面方向圖測試值angle (degree)amplitude (v)5.3 天線匹配設計天線匹配設計 5.3.1 匹配概述匹配概述(1) 匹配目標匹配目標 平衡平衡-不平衡的轉換不平衡的轉換 阻抗變換阻抗變換 (2) 匹配方法匹配方法 集總參數(shù)網(wǎng)絡。集總參數(shù)網(wǎng)絡。 電抗元件電抗元件 (L/C) 組成的組成的T、L形網(wǎng)絡等形網(wǎng)絡等 主要應用于電小天線主要應用于電小天線 分布參數(shù)網(wǎng)絡。分布參數(shù)網(wǎng)絡。 利用傳輸線阻抗分布特性，實現(xiàn)阻抗

18、值變換利用傳輸線阻抗分布特性，實現(xiàn)阻抗值變換 包括枝節(jié)匹配器、階梯式阻抗變換器和漸變線阻抗變換器等包括枝節(jié)匹配器、階梯式阻抗變換器和漸變線阻抗變換器等 考慮結構尺寸較大，故僅適用于考慮結構尺寸較大，故僅適用于300 MHz 以上的頻段以上的頻段 集總與分布相結合網(wǎng)絡集總與分布相結合網(wǎng)絡 傳輸線變壓器，傳輸線繞在磁芯上構成傳輸線變壓器，傳輸線繞在磁芯上構成 (3) 回波損耗回波損耗 inLinLZZZZ 反射系數(shù)反射系數(shù)回波損耗回波損耗Slog2011 5.3.2 匹配網(wǎng)絡設計舉例匹配網(wǎng)絡設計舉例例例 鉆孔測井雷達的集總參數(shù)匹配鉆孔測井雷達的集總參數(shù)匹配0.00.10.20.30.40.5-14

19、-12-10-8-6-4-20無 匹配網(wǎng)絡S11 (dB)Freq (GHz)5.4 人工介電材料在微波器件設計中的應用人工介電材料在微波器件設計中的應用5.4.1 人工電磁材料的基本概念人工電磁材料的基本概念(1) 人工介電材料定義人工介電材料定義 通常指自然界中不存在，通過人工制造且具天然材料所不具備的特殊電通常指自然界中不存在，通過人工制造且具天然材料所不具備的特殊電 磁性質的復合結構或復合材料磁性質的復合結構或復合材料(2) 典型特征典型特征 材料主要參數(shù)中具有自然材料所不能達到的取值材料主要參數(shù)中具有自然材料所不能達到的取值 材料參數(shù)及其變化可滿足人們的某種特殊電磁功能需求材料參數(shù)及

20、其變化可滿足人們的某種特殊電磁功能需求(3) 典型人工電磁材料典型人工電磁材料(a) 光子晶體光子晶體 (Photonic Band Gap，PBG) 光子晶體模型的典型結構光子晶體模型的典型結構UC-EBG結構結構 (b) EBG帶隙材料帶隙材料 (Electromagnetic Band Gap，EBG)基底周期空洞基底周期空洞高阻抗表面結構高阻抗表面結構(c) 吸波材料或特殊吸波材料或特殊 r 、 材料材料RH2100鐵氧體鐵氧體 負負 r 、正、正 材料材料(Epsilon Negative Material，ENG) 正正 r 、負磁導率、負磁導率(Magnetic Negative

21、 Media，MNG) 左手材料左手材料 (Double Negative Material，DNG)(d) ENG、MNG、DNG 材料材料Rod周期結構的周期結構的ENG材料材料 SRR周期結構的周期結構的MNG材料材料Rod、SRR結構結構DNG材料材料(4) 人工電磁材料的主要應用人工電磁材料的主要應用(a) 應用領域應用領域傳輸線、微波器件、電磁儲能、天線、光學、微波電路與系統(tǒng)傳輸線、微波器件、電磁儲能、天線、光學、微波電路與系統(tǒng)(b) 實現(xiàn)功能實現(xiàn)功能 微波器件小型化、定向天線微波器件小型化、定向天線 微波吸收微波吸收 電磁電磁(光光)隔離或導通隔離或導通 表面波抑制表面波抑制 隱

22、身、負折射隱身、負折射5.4.2 ENG、MNG、DNG人工電磁材料的基本工作原理人工電磁材料的基本工作原理(1) 周期排列金屬桿形成周期排列金屬桿形成ENG材料的基本原理材料的基本原理 存在沿導線方向電場時，金屬桿中自由電子氣產生等離子體諧振，理想存在沿導線方向電場時，金屬桿中自由電子氣產生等離子體諧振，理想情況下周期性金屬棒的介電常數(shù)可被表為情況下周期性金屬棒的介電常數(shù)可被表為 221 pmetal 其中，等離子體頻率其中，等離子體頻率 p為為epmne022 (5.4.1)(5.4.2)考慮金屬中的電子散射衰減，介電常數(shù)可被表示為考慮金屬中的電子散射衰減，介電常數(shù)可被表示為 視周期性排列

23、金屬桿為電子氣等離子體，其有效電子密度為視周期性排列金屬桿為電子氣等離子體，其有效電子密度為)i(12 pnormal22arnneff 其中，其中， 表示電子與中性粒子的散射頻率表示電子與中性粒子的散射頻率金屬桿電流在空金屬桿電流在空間間R處產處產生的磁場強度為生的磁場強度為RenrRIRH22)(2v (5.4.3)(5.4.4)(5.4.5)其中，其中，v為為電子的平均速度電子的平均速度用矢量位用矢量位 A 表示磁場強度，則表示磁場強度，則ARH 10)( )(ln2)(20RaenrRAv 其中其中電子在電場中所受沖量為電子在電場中所受沖量為eA，單位長度細金屬棒動量改變量，單位長度細

24、金屬棒動量改變量 vvnrmnrranrernArePeffe222202ln2)( 其中，電子有效質量其中，電子有效質量meff為為(5.4.6)(5.4.7)(5.4.8) ranremeffln2220 (5.4.9)將式將式5.4.4、式、式5.4.9代入式代入式5.4.2)(ln222022raacmeneffeffp (5.4.10)將式將式5.4.10代入式代入式5.4.3，并同時代入，并同時代入 因子的表達式因子的表達式 22202i1rappeff(5.4.11)當當 p時，時， eff 實部為負，即為實部為負，即為ENG材料材料(2) 周期排列周期排列SRR形成形成MNG材

25、料的基本原理材料的基本原理對周期無限長導電圓柱，等效磁導率可以定義為對周期無限長導電圓柱，等效磁導率可以定義為00HBeffave (5.4.12)H0為外加平行于導體的磁場為外加平行于導體的磁場設柱體內感應電流為設柱體內感應電流為 j，則，則柱體內柱體內磁場強度為磁場強度為jarjHHin220 (5.4.13)環(huán)繞金屬柱體的總電動勢為環(huán)繞金屬柱體的總電動勢為jrjarjHrRIBt 2i22002 當電動勢平衡時，感應電流當電動勢平衡時，感應電流j可以表示為可以表示為022202i1 rrarHj (5.4.14)(5.4.15)導體外平均磁場強度為導體外平均磁場強度為1022002202

26、i12i1 rarrHjarHHave(5.4.16)比較式比較式5.4.12、式、式5.4.16102202i11 rarHBaveaveeff 無限長周期排列金屬棒可以降低磁導率無限長周期排列金屬棒可以降低磁導率對無限長開口環(huán)諧振器，感應電流與外加磁場的關系可表為對無限長開口環(huán)諧振器，感應電流與外加磁場的關系可表為(5.4.17)jCrrjjarHr)i12()(i222002 2001cddC (5.4.18)(5.4.19)周期排列的開口環(huán)的等效磁導率周期排列的開口環(huán)的等效磁導率03222222i311 rrdcareff (5.4.20)對平面排列的對平面排列的SRR結構，考慮到雙環(huán)

27、之間的電容結構，考慮到雙環(huán)之間的電容 dccdcC2ln12ln2000 (5.4.21)1320202232i11 Crlrlareff 103220222i/2ln311 rldcrlcareff(5.4.22)(3) 復合傳輸線形成復合傳輸線形成LHM材料的基本原理材料的基本原理左手、復合左右手傳輸線等效電路左手、復合左右手傳輸線等效電路右手傳輸線等效電路右手傳輸線等效電路右手傳輸線右手傳輸線的電壓電流方程可以表示為的電壓電流方程可以表示為A 右手傳輸線的電磁參數(shù)右手傳輸線的電磁參數(shù) YUzIZIzU xyyxEzHHzE ii(5.4.23)(5.4.24)對比式對比式5.4.23與式

28、與式5.4.24 由麥克斯韋方程組可得均勻物質中時諧電磁波的解為由麥克斯韋方程組可得均勻物質中時諧電磁波的解為 0iii0iiiRReffRReffCCYLLZ (5.4.25)對對左手傳輸線左手傳輸線，其等效介電常數(shù)和等效磁導率表達式為，其等效介電常數(shù)和等效磁導率表達式為 01i1i1i01i1i1i22LLeffLLeffLLYCCZ (5.4.26)左手傳輸線構成了左手傳輸線構成了LHM材料材料 B 左手傳輸線的電磁參數(shù)左手傳輸線的電磁參數(shù)C 左右手傳輸線的電磁參數(shù)左右手傳輸線的電磁參數(shù)由傳輸線定理，傳播常數(shù)由傳輸線定理，傳播常數(shù)YZ iCRLH傳輸線的傳輸線的Z 、Y 分別為分別為 LRLRLRLRYYLCYZZCLZ)1-i()()1-i()( (5.4.27)(5.4.28)傳輸線的特性阻抗為傳輸線的特性阻抗為 1)/(1)/(220 shseLZYZZ (5.4.29)LLLCLZ 其中其中RRRCLZ LRseCL 1 RLshCL 1 (5.4.30)傳輸線的傳播常數(shù)傳輸線的傳播常數(shù) 為為 )()(i)(ii2222222shseRLLRsks (5.4.31)其中其中 RRRCL 1 LLLCL 1 LRRLCLCLk ),(min1),(min1)(shseshses 討論討論 當當 s( )=-1時相位因子時相位因