超宽带电磁学及应用 第5章 超宽带天线课件

1、5.1 超宽带天线概述超宽带天线概述5.1.1 超宽带天线的主要特征超宽带天线的主要特征宽带频率响应宽带频率响应天线参数天线参数方向图方向图辐射效率辐射效率有效长度有效长度输入阻抗输入阻抗极化特性极化特性宽带电路：馈电与接收均为宽带电路宽带电路：馈电与接收均为宽带电路参数折中优化参数折中优化(1) 宽带特征宽带特征不同长度槽天线不同长度槽天线S参数参数不同长度槽天线阻抗不同长度槽天线阻抗AR with different angle ( =0)AR with different frenquncy( =0， =0)(2) 波形保真技术波形保真技术相关接收相关接收高保真度高保真度成像要求成像要求

2、拖尾信号幅度与时间限制拖尾信号幅度与时间限制(3) 收发天线与馈电、接收电路一体化设计收发天线与馈电、接收电路一体化设计宽带传输宽带传输宽带匹配宽带匹配一体化设计一体化设计隔离与干扰隔离与干扰5.1.2 常见的宽带与窄带天线常见的宽带与窄带天线 半波偶极子天线半波偶极子天线是典型的窄带天线，辐射是典型的窄带天线，辐射UWB信号色散严重信号色散严重 对数周期天线对数周期天线为常见的宽带天线，但拖尾振荡严重为常见的宽带天线，但拖尾振荡严重 常见常见平面渐变天线平面渐变天线是较为理想的是较为理想的UWB天线天线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) 加载电阻 不加载电阻窄带偶极子天线窄带偶极子天线对数周期天线对数周期天线平面渐变天线平面渐变天线5.1.3 描述超宽带天线的主要参数描述超宽带天线的主要参数波形保真系数波形保真系数 )d()()(2112ftft能量方向图能量方向图 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能量辐射效率能量辐射效率 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. 辐射阻抗辐射阻抗 ttItrtrERinputttransradd)(dddsin),(2200202max 增益增益 ttItVttErG

5、inintransd)()(d),(4),(022 极化特性极化特性 ttEttEtransd),(d),(tan),(221max 天线波束角天线波束角 ttEttEtransttransad),(dddsin),(2max2002 有效面积有效面积 ttEttItVAinrereed)(d)()(),(02 有效高度有效高度maxmax),(),(incopeneEVh (1) 时域方向图控制时域方向图控制5.1.4 超宽带天线几个热点研究问题超宽带天线几个热点研究问题A 吸波材料或特殊介电材料方法吸波材料或特殊介电材料方法左手材料左手材料吸波材料吸波材料等离子体等离子体光子晶体光子晶体零

6、折射材料零折射材料B 加引向器加引向器左手结构引向左手结构引向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 龙柏透镜聚焦龙柏透镜聚焦E 优化结构优化结构(2) 拖尾信号抑制拖尾信号抑制(3) 天线小型化天线小型化(4) 信号源与天线的一体化设计信号源与天线的一体化设计 超宽带内外多通带、阻带设计超宽带内外多通带、阻带设计 可重构天线可重构天线 共形天线共形天线 减小地的耦合效应减小地的耦合效应 THz 频段天线与器件设计频段天线与器件设计(5) 平面超宽带天线平面超宽带天线(6) 单元天线与阵列天线参数的关系单元天线与阵列天线参数的关系 阵元天线时间、幅值抖动对天线功率合成的

7、影响阵元天线时间、幅值抖动对天线功率合成的影响 由阵元天线参数快速计算阵列天线参数方法由阵元天线参数快速计算阵列天线参数方法 阵元天线的耦合效应与阵列天线的布阵方式阵元天线的耦合效应与阵列天线的布阵方式 阵列天线布阵方式与波束扫描方案阵列天线布阵方式与波束扫描方案点源近似模型点源近似模型5.3.1 Vivadi天线天线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 指数渐变槽天线指数渐变槽天线 (Vivaldi)最常用最常用 线性渐变槽天线线性渐变槽天线 (LTSA) 固定宽带槽天线固定宽带槽天线 (CWSA)(1) Vivaldi天线结构天线结构指数渐变

8、曲线函数通常表为指数渐变曲线函数通常表为5.2 超宽带天线设计举例超宽带天线设计举例 )(expcybax 其中，其中，a、b、c 为系数为系数指数渐变曲线函数也可以化简为指数渐变曲线函数也可以化简为 bxayln(5.2.1)(5.2.2)-100-500501000306090120150180210240270 y(mm)x(mm)异面槽天线机械结构设计异面槽天线机械结构设计(2) Vivaldi天线特征天线特征 Vivaldi是一种印刷微带天线，结构简单、成本低廉，易集成是一种印刷微带天线，结构简单、成本低廉，易集成 高增益、线极化、增益稳定的高增益、线极化、增益稳定的UWB天线天线

9、频带范围内，波束宽度稳定频带范围内，波束宽度稳定 不同频率成分在不同天线部位辐射不同频率成分在不同天线部位辐射 缝宽为缝宽为0 mm时，低频点最低；时，低频点最低； 缝宽为缝宽为0 mm时，辐射带宽内阻抗约时，辐射带宽内阻抗约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天线的仿真计算天线的仿真计算I

10、 馈电点缝宽对槽天线参数的影响馈电点缝宽对槽天线参数的影响 II 天线长度对槽天线参数的影响天线长度对槽天线参数的影响 天线长度增大，低频点下移，但移动幅度不大；天线长度增大，低频点下移，但移动幅度不大； 天线长度增大，阻抗变化率加大；天线长度增大，阻抗变化率加大；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 天线宽度对槽天线参数的影响天线宽度对槽天线参数的影响 天线宽度增大，低频点下移，但移动幅度不大；天线宽度增大，低频点下移，但移动幅度不大； 天线宽度增大，阻抗变化率减小，但变化幅度很小；天线宽度增大，阻抗变化率减小，但变化幅度很小；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：设计高功率一体化例：设计高功率一体化Vivaldi天线，并满足如

12、下要求天线，并满足如下要求 单元辐射系统能够承受馈电脉冲的高峰值电压；单元辐射系统能够承受馈电脉冲的高峰值电压； 馈电网络的输出阻抗与天线输入阻抗匹配；馈电网络的输出阻抗与天线输入阻抗匹配； 辐射天线为定向天线且具有较高的辐射效率；辐射天线为定向天线且具有较高的辐射效率；解：解： 设计思路设计思路 高压要求高压要求异面结构异面结构 集成设计集成设计高压储能、波形整形、微波传输、倍压高压储能、波形整形、微波传输、倍压 匹配要求匹配要求匹配网络匹配网络Blumlein线设计线设计 Blumlein形成线机械结构设计形成线机械结构设计 储能电容参数储能电容参数 2021CUin 光导开关输出电脉冲波

13、形满足光导开关输出电脉冲波形满足 )exp()(20tUtU 设设PCSS电压转换效率为电压转换效率为 U，天线阻抗，天线阻抗RA，输出电脉冲能量，输出电脉冲能量 out ttRUAUoutd)2exp()(220 0.00.51.01.5-20-15-10-50 标准 结 构 改进 结 构S11f (GHz)平行板电容器电容设计应满足平行板电容器电容设计应满足 ttRUCUAUd)2exp()(2122020 Blumlein线长度参数线长度参数 实现实现Blumlein线对线对lock-on锁定脉冲截波，则锁定脉冲截波，则rTcllT 22 vBlumlein线宽度参数线宽度参数 1/)1

14、208. 02258. 0(11)(3218ln)1(21201/758. 0)88. 1ln(11165. 0883. 037720120 hwhwwhZhwhwhwZrrrrrrrrr 微带线阻抗经验公式微带线阻抗经验公式依天线输入阻抗、储能电容、脉宽要求，可确定依天线输入阻抗、储能电容、脉宽要求，可确定Blumlein线长、宽、高参数线长、宽、高参数Blumlein线线S参数参数 频率为频率为 f 的电磁脉冲在介电常数为的电磁脉冲在介电常数为 r 的介质中的速度的介质中的速度 fcfcrr v考虑驻波条件考虑驻波条件 kl 2各驻波点频率各驻波点频率lckffkclrr 220.00.5

15、1.01.5-20-15-10-50 标准 结 构 改进 结 构S11f (GHz)一体化天线参数计算一体化天线参数计算 高斯脉冲的频谱分析高斯脉冲的频谱分析 高斯函数高斯函数 )exp()(20tAtf )4exp(dcos)exp(2)(20020 AtttAF22ln4T 其中其中以幅值半峰值为标准，馈电脉冲带宽以幅值半峰值为标准，馈电脉冲带宽0,fh其中其中TfThhh2ln222ln4 一体化天线仿真与优化一体化天线仿真与优化 0.00.20.40.60.8-25-20-15-10-50 S11f (GHz) 对 称 结 构 非对 称 结 构I S参数仿真与优化参数仿真与优化0.00

16、.51.01.5-20-15-10-50 标准 结 构 改进 结 构S11f (GHz)II 时域波形与方向图时域波形与方向图681012141618-2.0-1.5-1.0-0.50.00.51.01.52.02.5 Et (ns) 偏 离 轴 线 60o 偏 离 轴 线 30o 轴 线 方向4060801001201400.60.70.80.91.0 非对称对称 relative field(V/m)angle024681012141618-0.50.00.51.0 对 称 结 构 非对 称 结 构E/E0t (ns)III 非对称一体化天线非对称一体化天线例例2 单极子天线用于单极子天线

17、用于200 ps高斯信号发射高斯信号发射-200204060801001201401601802000.500.550.600.650.700.750.800.85 H面方向图测试值angle (degree)amplitude (v)5.3 天线匹配设计天线匹配设计 5.3.1 匹配概述匹配概述(1) 匹配目标匹配目标 平衡平衡-不平衡的转换不平衡的转换 阻抗变换阻抗变换 (2) 匹配方法匹配方法 集总参数网络。集总参数网络。 电抗元件电抗元件 (L/C) 组成的组成的T、L形网络等形网络等 主要应用于电小天线主要应用于电小天线 分布参数网络。分布参数网络。 利用传输线阻抗分布特性，实现阻抗

18、值变换利用传输线阻抗分布特性，实现阻抗值变换 包括枝节匹配器、阶梯式阻抗变换器和渐变线阻抗变换器等包括枝节匹配器、阶梯式阻抗变换器和渐变线阻抗变换器等 考虑结构尺寸较大，故仅适用于考虑结构尺寸较大，故仅适用于300 MHz 以上的频段以上的频段 集总与分布相结合网络集总与分布相结合网络 传输线变压器，传输线绕在磁芯上构成传输线变压器，传输线绕在磁芯上构成 (3) 回波损耗回波损耗 inLinLZZZZ 反射系数反射系数回波损耗回波损耗Slog2011 5.3.2 匹配网络设计举例匹配网络设计举例例例 钻孔测井雷达的集总参数匹配钻孔测井雷达的集总参数匹配0.00.10.20.30.40.5-14

19、-12-10-8-6-4-20无 匹配网络S11 (dB)Freq (GHz)5.4 人工介电材料在微波器件设计中的应用人工介电材料在微波器件设计中的应用5.4.1 人工电磁材料的基本概念人工电磁材料的基本概念(1) 人工介电材料定义人工介电材料定义 通常指自然界中不存在，通过人工制造且具天然材料所不具备的特殊电通常指自然界中不存在，通过人工制造且具天然材料所不具备的特殊电 磁性质的复合结构或复合材料磁性质的复合结构或复合材料(2) 典型特征典型特征 材料主要参数中具有自然材料所不能达到的取值材料主要参数中具有自然材料所不能达到的取值 材料参数及其变化可满足人们的某种特殊电磁功能需求材料参数及

20、其变化可满足人们的某种特殊电磁功能需求(3) 典型人工电磁材料典型人工电磁材料(a) 光子晶体光子晶体 (Photonic Band Gap，PBG) 光子晶体模型的典型结构光子晶体模型的典型结构UC-EBG结构结构 (b) EBG带隙材料带隙材料 (Electromagnetic Band Gap，EBG)基底周期空洞基底周期空洞高阻抗表面结构高阻抗表面结构(c) 吸波材料或特殊吸波材料或特殊 r 、 材料材料RH2100铁氧体铁氧体 负负 r 、正、正 材料材料(Epsilon Negative Material，ENG) 正正 r 、负磁导率、负磁导率(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周期结构的周期结构的ENG材料材料 SRR周期结构的周期结构的MNG材料材料Rod、SRR结构结构DNG材料材料(4) 人工电磁材料的主要应用人工电磁材料的主要应用(a) 应用领域应用领域传输线、微波器件、电磁储能、天线、光学、微波电路与系统传输线、微波器件、电磁储能、天线、光学、微波电路与系统(b) 实现功能实现功能 微波器件小型化、定向天线微波器件小型化、定向天线 微波吸收微波吸收 电磁电磁(光光)隔离或导通隔离或导通 表面波抑制表面波抑制 隐

22、身、负折射隐身、负折射5.4.2 ENG、MNG、DNG人工电磁材料的基本工作原理人工电磁材料的基本工作原理(1) 周期排列金属杆形成周期排列金属杆形成ENG材料的基本原理材料的基本原理 存在沿导线方向电场时，金属杆中自由电子气产生等离子体谐振，理想存在沿导线方向电场时，金属杆中自由电子气产生等离子体谐振，理想情况下周期性金属棒的介电常数可被表为情况下周期性金属棒的介电常数可被表为 221 pmetal 其中，等离子体频率其中，等离子体频率 p为为epmne022 (5.4.1)(5.4.2)考虑金属中的电子散射衰减，介电常数可被表示为考虑金属中的电子散射衰减，介电常数可被表示为 视周期性排列

23、金属杆为电子气等离子体，其有效电子密度为视周期性排列金属杆为电子气等离子体，其有效电子密度为)i(12 pnormal22arnneff 其中，其中， 表示电子与中性粒子的散射频率表示电子与中性粒子的散射频率金属杆电流在空金属杆电流在空间间R处产处产生的磁场强度为生的磁场强度为RenrRIRH22)(2v (5.4.3)(5.4.4)(5.4.5)其中，其中，v为为电子的平均速度电子的平均速度用矢量位用矢量位 A 表示磁场强度，则表示磁场强度，则ARH 10)( )(ln2)(20RaenrRAv 其中其中电子在电场中所受冲量为电子在电场中所受冲量为eA，单位长度细金属棒动量改变量，单位长度细

24、金属棒动量改变量 vvnrmnrranrernArePeffe222202ln2)( 其中，电子有效质量其中，电子有效质量meff为为(5.4.6)(5.4.7)(5.4.8) ranremeffln2220 (5.4.9)将式将式5.4.4、式、式5.4.9代入式代入式5.4.2)(ln222022raacmeneffeffp (5.4.10)将式将式5.4.10代入式代入式5.4.3，并同时代入，并同时代入 因子的表达式因子的表达式 22202i1rappeff(5.4.11)当当 p时，时， eff 实部为负，即为实部为负，即为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对周期无限长导电圆柱，等效磁导率可以定义为对周期无限长导电圆柱，等效磁导率可以定义为00HBeffave (5.4.12)H0为外加平行于导体的磁场为外加平行于导体的磁场设柱体内感应电流为设柱体内感应电流为 j，则，则柱体内柱体内磁场强度为磁场强度为jarjHHin220 (5.4.13)环绕金属柱体的总电动势为环绕金属柱体的总电动势为jrjarjHrRIBt 2i22002 当电动势平衡时，感应电流当电动势平衡时，感应电流j可以表示为可以表示为022202i1 rrarHj (5.4.14)(5.4.15)导体外平均磁场强度为导体外平均磁场强度为1022002202

26、i12i1 rarrHjarHHave(5.4.16)比较式比较式5.4.12、式、式5.4.16102202i11 rarHBaveaveeff 无限长周期排列金属棒可以降低磁导率无限长周期排列金属棒可以降低磁导率对无限长开口环谐振器，感应电流与外加磁场的关系可表为对无限长开口环谐振器，感应电流与外加磁场的关系可表为(5.4.17)jCrrjjarHr)i12()(i222002 2001cddC (5.4.18)(5.4.19)周期排列的开口环的等效磁导率周期排列的开口环的等效磁导率03222222i311 rrdcareff (5.4.20)对平面排列的对平面排列的SRR结构，考虑到双环

27、之间的电容结构，考虑到双环之间的电容 dccdcC2ln12ln2000 (5.4.21)1320202232i11 Crlrlareff 103220222i/2ln311 rldcrlcareff(5.4.22)(3) 复合传输线形成复合传输线形成LHM材料的基本原理材料的基本原理左手、复合左右手传输线等效电路左手、复合左右手传输线等效电路右手传输线等效电路右手传输线等效电路右手传输线右手传输线的电压电流方程可以表示为的电压电流方程可以表示为A 右手传输线的电磁参数右手传输线的电磁参数 YUzIZIzU xyyxEzHHzE ii(5.4.23)(5.4.24)对比式对比式5.4.23与式

28、与式5.4.24 由麦克斯韦方程组可得均匀物质中时谐电磁波的解为由麦克斯韦方程组可得均匀物质中时谐电磁波的解为 0iii0iiiRReffRReffCCYLLZ (5.4.25)对对左手传输线左手传输线，其等效介电常数和等效磁导率表达式为，其等效介电常数和等效磁导率表达式为 01i1i1i01i1i1i22LLeffLLeffLLYCCZ (5.4.26)左手传输线构成了左手传输线构成了LHM材料材料 B 左手传输线的电磁参数左手传输线的电磁参数C 左右手传输线的电磁参数左右手传输线的电磁参数由传输线定理，传播常数由传输线定理，传播常数YZ iCRLH传输线的传输线的Z 、Y 分别为分别为 LRLRLRLRYYLCYZZCLZ)1-i()()1-i()( (5.4.27)(5.4.28)传输线的特性阻抗为传输线的特性阻抗为 1)/(1)/(220 shseLZYZZ (5.4.29)LLLCLZ 其中其中RRRCLZ LRseCL 1 RLshCL 1 (5.4.30)传输线的传播常数传输线的传播常数 为为 )()(i)(ii2222222shseRLLRsks (5.4.31)其中其中 RRRCL 1 LLLCL 1 LRRLCLCLk ),(min1),(min1)(shseshses 讨论讨论 当当 s( )=-1时相位因子时相位因