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圆柱共形介质埋藏微带天线设计与研究

更新时间:2016-07-05

引 言

在现代交通、军事装备等系统的通信设备中,在各种飞行、运转的机器上安装有多种天线,如汽车、飞机、导弹等设备上的天线,这些天线对载体的运行造成不可忽略的阻力并增加油耗. 因此,出于减小阻力、节省空间、节约能源等因素的考虑,安装在载体上的天线需要实现与载体的共形,即需要采用共形天线的形式.共形天线通常指与特定载体形状相吻合的一类天线,其设计目的是使天线能够方便地安装于载体表面而不成为载体的拖累.而在一系列天线中,微带天线因为拥有低剖面、重量轻、易于制作等诸多优点脱颖而出,而最主要的一个优点是微带天线可以共形于它所安装的物体表面.

(3)In future work,we intend to focus on reducing the number of epochs required for estimation to improve performance.

在传统天线的实际应用中,天线大都是直接暴露在空气中,既受空气的氧化腐蚀,又不利于天线的隐蔽性,特别是恶劣环境对天线的损害以及天线性能的影响会更大. 基于这些原因,本文将圆柱共形天线埋藏在介质中,进行一种新型的圆柱共形介质埋藏微带天线的研究. 这种覆盖介质层对天线的影响为,一使谐振频率产生漂移,二影响天线的工作带宽等性能. 因此,研究分析圆柱共形介质埋藏微带天线在天线理论设计以及天线的工程应用方面都有现实的意义.对于介质埋藏层对微带天线的影响问题,文献[1]详细介绍了介质埋藏层对介质埋藏微带天线性能的影响且给出了几种经过详细研究的介质埋藏微带天线,文献[2-4]研究了介质埋藏平面螺旋天线、介质埋藏平面对数周期天线、介质埋藏平面蝶形天线的性能特性,但对于圆柱共形介质埋藏天线国内外均没有系统研究. 本文以圆柱共形微带天线为研究对象,首先对圆柱共形微带天线进行仿真,在此基础上研究加载介质埋藏层后圆柱共形介质埋藏微带天线的性能,并制作天线实物,给出测试数值结果.

但媳妇还是不放心。她把脱了一半的体恤又穿上,趿拉着鞋,到院子里看院墙是不是够高,能不能翻进人来。又检查门栓插好没有,锈蚀得厉害不厉害,能不能禁得住外人的拉扯。玻璃是不是遮挡的严实,能不能从缝隙窥视到里面的情景……媳妇这么折腾一气,回来了。躺在床上还是不踏实,身子僵硬得像块木板。在新居中的第一夜并没像他想象的那么美好,被媳妇的紧张情绪破坏了。他现在什么心情也没有,只想睡他娘的觉!

1 圆柱共形天线和圆柱共形介质埋藏天线的设计

1.1 介质埋藏天线基本原理

把天线埋藏在介质中,能有效地保护天线辐射贴片部分不受空气氧化腐蚀,增强天线的隐蔽性.电磁波在介质中的波长 普通未埋藏天线电磁波从辐射贴片出来经过空气,空气的介电常数约为1,而介质埋藏天线相对普通天线而言,电磁波从辐射贴片辐射出来要先经过埋藏的介质层,再到空气. 若当埋藏所用的介质介电常数εr>1,则介质埋藏天线的波长减小;若埋藏所用介质的介电常数εr<1,则介质埋藏天线的波长增加.这里研究的介质埋藏的介质材料的介电常数均大于1,即介质埋藏技术使天线的波长减小.

图1中所示的W为天线辐射贴片的宽度,L为天线辐射贴片的长度,WF为馈线宽度,LF为馈线长度,H为圆柱载体的高度,C为圆柱载体的直径.因为目前国内还没有关于介质埋藏前后圆柱共形天线的性能分析,所以本文所用的模型为最简单的矩形贴片辐射单元.

%.

(1)

式中:εr1为微带天线介质板的介电常数;εr2为电磁波从辐射贴片出来接触到介质的介电常数. εr1保持不变,普通未埋藏天线电磁波从辐射贴片出来经过空气εr2约为1,而介质埋藏天线经过埋藏的介质层εr2大于1. 所以介质埋藏天线具有更宽的带宽.

1.2 圆柱共形天线设计

综合考虑了天线的设计成本和天线的性能,根据仿真实验优化天线参数,制作了天线实物,如图7所示.

本文仿真并制作的天线安装在直径为200 mm的圆柱载体,介质板介电常数为2.2,厚度为0.8 mm的F4B介质板,其柔软度良好,易于实现共形弯曲. 贴片的尺寸根据平面微带天线的经验公式进行计算,再通过仿真软件进行优化仿真验证. 其对应的仿真模型如图1所示.

图1 圆柱共形微带天线模型 Fig.1 Model of cylindrical conformal microstrip antenna

对于矩形贴片,带宽近似有

坑塘基础设施的政府资金投入,是以财政奖补资金兑现的,“十一五”期间用于村级公益事业建设一事一议财政奖补资金仅96.4亿元,而此项资金主要用于修桥补路、村容村貌整治、植树造林、环卫设施等项目。其中用于饮水管线铺设、堰塘水窖、小型提排灌站建设及打井等工程只有28.8亿元,仅占农田水利建设资金2.1%,由于历史原因遗留下来的坑塘改造任务过于繁重,与坑塘建设的实际需求资金相差甚远。

此次的天线馈电为微带线馈电,需要使用SAM接头连接信号源,市场上的SAM接头有两种型号,分别为50 Ω和75 Ω.此次设计使用50 Ω的SAM接头.馈线宽度考虑阻抗匹配的因素,利用电磁仿真软件CST自带的微带阻抗分析计算,经计算得到馈线的宽度为2.5 mm.圆柱的高度以及直径选择考虑到实际加工等各种情况,此次设计的圆柱高度H为20 mm,直径为200 mm.关于贴片单元宽度和长度设计问题,为保证高效率的电磁辐射.其理论上的实用宽度和长度为:

(2)

(3)

图5为埋藏前后天线的增益曲线图,埋藏前的最大增益为9.82 dB,圆柱共形介质埋藏天线的最大增益为9.30 dB.与埋藏前相比降低了0.52 dB,但是已经达到9.30 dB,具有合格的天线增益指标.

(4)

(5)

由式(2)~(5)计算出贴片尺寸,再通过CST的扫描功能得到圆柱共形天线的仿真以及实际制作的天线贴片最优尺寸,如表1所示(制作的尺寸跟对应的仿真尺寸一致).

表1 圆柱共形天线的主要参数值 Tab.1 Main parameters of cylindrical conformal antenna mm

WLWFLFHC32 812 42 5320200

1.3 圆柱共形介质埋藏天线设计

1.3.1 结构设计

1.2.2 参数设计

圆柱共形介质埋藏天线,是在图1的外面加一层圆柱形介质,辐射贴片的形状与图1保持一致(所以不再额外给出贴片结构).图2所示为圆柱共形介质埋藏天线的俯视截面示意图,其中区域①为埋藏的介质层、②为天线介质板、③为天线地板、④为圆柱载体.从图可见,黑色区域即为辐射贴片,角度β为埋藏后辐射贴片所对的圆心角,经计算得到β=14.7°,比未埋藏时的18.8°小了4.1°.

图2 埋藏天线效果俯视截面示意图 Fig.2 Cross-sectional schematic diagram of dielectric embedded antenna

1.3.2 参数设计

1) 由于电力系统采用环形汇流排结构,这样可使电能在负载中共享,使并网发电机与负载匹配,因此可有效地减少燃料的消耗,降低对环境的污染。

综上所述,经仿真的圆柱共形介质埋藏微带天线符合天线的各项基本性能要求.

识别歧义词常有以下四种方法:一是双向扫描,通过正向或者逆向扫描切分,比对是否匹配切词结果;二是通过构建歧义词库,匹配歧义词库与切词结果;三是交集型歧义算法,它是基于切分路径的长词优先原则,解决交集型歧义词;还有一种是全切分算法,是一种通过全切分来得到所有分词路径的方法。将全切分得到所有分词路径的词汇标记在一个矩阵中,这个矩阵就叫做歧义矩阵,用作识别并区分交集型和组合型歧义字段。

(6)

以及仿真数据可知,电磁波经过介质埋藏层后会导致天线谐振频率降低.为使得介质埋藏前后天线的谐振频率相一致,就要将介质埋藏共形天线的谐振频率增加.由式(6)可知,c是真空中电磁波传播速度,是一个定值,能进行修正的只有L以及ΔL.要使谐振频率增加,只能减小可修正的L或者ΔL的值.再结合圆柱共形微带天线给出的计算公式(2)~(5)可知介质埋藏天线的宽度和长度由于频率变大而减小.具体最优化参数经由公式计算后,再用电磁仿真软件CST进行参数扫描及优化得到.经仿真结果验证圆柱共形介质埋藏天线的仿真以及实际制作的天线贴片尺寸如表2所示,与表1比较可见WL都减小了.

调查问卷主要包括6个问题,分别是景观一致性、复杂性、易辨性、神秘性、新奇度和美感度,分值设置为1~9分。

表2 圆柱共形介质埋藏天线的主要参数值 Tab.2 Main parameters of dielectric embedded antenna with cylindrical conformal mm

WLWFLFHC25 812 02 5320200

2 仿真实验及分析

根据上述计算优化的参数,利用电磁仿真软件CST进行建模仿真. 分别仿真优化了圆柱共形微带天线以及圆柱共形介质埋藏微带天线. 通过比较介质埋藏前后圆柱共形微带天线的性能来分析圆柱共形介质埋藏微带天线. 埋藏前后圆柱共形微带天线性能参数仿真数值如表3所示.

表3 天线的性能仿真参数 Tab.3 Simulation parameters of antenna

天线fL/Hzf0/Hzfh/HzWB/HzWB/f0G/dB埋藏前9.299.469.620.3303.49%9.82埋藏后9.259.479.670.4204.44%9.30

图3所示为埋藏前后两种天线的仿真反射系数曲线对比,结合表3可以直观地知道圆柱共形介质埋藏天线具有更大的带宽,经仿真设计优化,能找到合适的天线尺寸,且最小的反射系数数值能达到-27 dB,具有更好的辐射特性.

图3 反射系数 Fig.3 Reflection coefficient

图4给出了埋藏前后天线的驻波比仿真曲线对比,圆柱共形介质埋藏天线的驻波比最小接近1,所设计的圆柱共形介质埋藏天线的驻波性能较好,可以满足系统对天线的要求,且介质埋藏天线的最小驻波比(voltage standing wave ratio,VSNR)小于未埋藏的天线,从而也证明了圆柱共形介质埋藏天线的优点.

长期以来,广播电视对自已定位于党和人民的喉舌,关注较多的是其政治属性,但是,在全球经济一体化的新形势下,应当而且必须正确认识到广播电视的多种属性,将新的思维和办法,应用到节目生产的每个环节,这是新形势下提升广播电视节目质量发展的必由之路。

图4 驻波比 Fig.4 Standing wave ratio

图5 增益 Fig.5 Gain

图6为埋藏前后天线的E面、H面方向图.埋藏前的E面方向图的半功率波束宽度为44.6°,H面方向图的半功率波束宽度为44.9°;圆柱共形介质埋藏天线的E面方向图的半功率波束宽度为54.1°,H面方向图的半功率波束宽度为54.9°.

(a) E面方向图 (a) Pattern of E plane

(b) H面方向图 (b) Pattern of H plane 图6 平面方向图 Fig.6 Plane pattern

经大量仿真实验,在天线辐射贴片形状大小等所有参数都不发生改变的情况下,相比于圆柱共形微带天线,圆柱共形介质埋藏天线使得天线的频率下移. 为研究圆柱共形介质埋藏天线的带宽,必须保持其余天线性能一致才能比较. 本文中,要求圆柱共形介质埋藏天线跟普通圆柱共形天线的谐振频率一致. 由公式

3 实物天线制作及分析

3.1 实物制作

1.2.1 结构设计

(a) 圆柱共形微带天线实物 (a) Clindrical conformal microstrip antenna

(b) 圆柱共形介质埋藏微带天线实物 (b) Dielectric embedded microstripantenna with cylindrical conformal 图7 天线实物 Fig.7 Physical antenna

3.2 天线性能测试及分析

使用Agilent N5230A矢量网络分析仪以及在微波暗室使用的NS12000近场测试系统对所制作的天线进行测试,埋藏前后圆柱共形微带天线性能参数实测数值如表4所示.

由表5可见,近六成的教学设计处于基础层级,其关注点主要聚焦在教学目标的明确、教学过程的清晰、教学策略的合理等方面,只有近四成的职前教师在教学设计中关注了知识构建和学生数据分析观念的发展.

表4 实测天线性能参数值 Tab.4 Measured parameter values of antenna

天线fL/Hzf0/Hzfh/HzWB/HzWB/f0G/dB埋藏前9.39.489.640.3403.59%8.8埋藏后9.249.489.680.4404.64%8.0

使用Agilent N5230A矢量网络分析仪对圆柱共形天线和圆柱共形介质埋藏天线两种天线实物的反射系数进行了测量调试再测量的工作,其结果曲线图如图8所示.圆柱共形天线测试的天线谐振频率为9.48 GHz,天线的工作频带实测结果为9.3~9.64 GHz,带宽为340 MHz.圆柱共形介质埋藏天线的测试结果为中心谐振频率为9.48 GHz,工作频带为9.24~9.68 GHz,带宽为440 MHz.从数据分析以及曲线图可以直观地发现,两种天线实测的反射系数达到天线的基本要求,且圆柱共形介质埋藏天线的带宽相比较于圆柱共形天线的带宽增加.

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图8 反射系数 Fig.8 Reflection coefficient

在微波暗室使用NSI2000近场测试系统进行了测量,把天线主波束方向对准发射喇叭天线的馈源,然后固定待测天线.实测的天线的E面方向图和H面方向图如图9所示. 从图9可知,测E面和H面方向图有些许变形,这是加工的偏差以及测量过程中无法避免的测量误差造成的.从测试数据整理得到圆柱共形介质埋藏天线的E面方向图半波束宽度为59°,H面方向图半波束宽度为43°,圆柱共形天线的E面方向图半波束宽度为40°,H面方向图半波束宽度为41°.

(a) E面方向图 (a) Pattern of E plane

(b) H面方向图 (b) Pattern of H plane 图9 实测平面方向图 Fig.9 Measured plane pattern

4 两种天线性能比较

4.1 天线结构比较

介质埋藏微带天线是指将微带天线全部埋藏于介质层中,介质覆盖的效果会使圆柱共形天线轴向厚度增加,会影响其介电常数,因此在天线设计中必须予以考虑.在仿真过程也发现,在天线辐射贴片形状大小丝毫不改变的情况下,介质埋藏天线的谐振频率相比埋藏前的天线下移.从上述圆柱共形微带天线以及圆柱共形介质埋藏微带天线的介绍可知,埋藏前后的贴片形状没有改变,只是介质埋藏微带天线在辐射贴片上方覆盖了一层跟原有介质层一样的介质.辐射贴片仍旧是一个矩形微带馈电贴片.只是贴片大小,馈线长短,馈线宽度有所改变.具体如表1、表2所示.综合上述仿真及实测的结果可知,在稳定天线性能的条件下,介质埋藏天线的辐射贴片尺寸减小了.

4.2 天线性能比较

上述两个章节已经详细介绍了天线仿真跟实测的结果,从反射系数观察得到:埋藏前后天线的谐振频率点出现轻微偏移,且埋藏前的天线实测带宽比仿真带宽稍许变窄,但仿真以及实测结果都证明圆柱共形介质埋藏天线的带宽比普通圆柱共形天线的带宽变宽了.仿真结果中普通圆柱共形天线的带宽330 MHz,而圆柱共形介质埋藏天线的带宽420 MHz,埋藏后的带宽是埋藏前带宽的127.27%;实测结果是普通圆柱共形天线的带宽340 MHz,而圆柱共形介质埋藏天线的带宽440 MHz,埋藏后的带宽是埋藏前带宽的129.41%.仿真结果跟实测结果有些许出入,但总体评价是符合要求的.结果显示埋藏后天线带宽扩宽囊括了未埋藏天线的工作带宽,且如E面和H面方向图仿真结果和测试结果所示,圆柱共形介质埋藏天线具有更宽的半波束宽度.

5 结 论

近年来,将微带贴片天线附着于弯曲表面的研究逐渐受到广大研究者的关注与研究. 微带天线拥有诸多优点但其带宽太窄,而介质埋藏微带天线能加宽微带天线的工作带宽. 因此致力于设计圆柱共形介质埋藏微带贴片天线使其能结合与飞行器的表面,从而达到减少各种空气阻力和燃料消耗的问题. 针对天线的安装特殊性,兼考虑天线性能、增益、辐射效率、电压驻波比和回波损耗等,共形天线成为最优选择. 所以将共形跟介质埋藏相结合,对于天线研究还是有很大的指导意义以及实际应用价值. ① 研究结果表明圆柱共形介质埋藏天线也跟平面介质埋藏天线一样具有拓展带宽的特点,能改善微带天线窄带宽的缺点.② 共形介质埋藏微带天线能应用于各种飞行器上,具有共形天线以及介质埋藏天线两者的优势,例如不给飞行器带来额外的负担,而且具有保护天线、增加隐蔽性等优点. ③ 共形介质埋藏天线降低了天线增益,可以进一步进行共形介质埋藏天线阵的研究来提高增益.

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倪国旗,刘曼霞
《电波科学学报》 2018年第02期
《电波科学学报》2018年第02期文献

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