一種研究探針饋電重疊圓柱共形微帶天線性能的新算法研究

【摘要】本文在圓柱坐標系下通過MAXWELL方程，將三維問題轉換為一維問題，產生相應控制方程。利用時域特征線算法（characteristic-based time domain method）計算了探針饋電重疊圓柱共形微帶天線的輸入阻抗和輻射方向圖。本文特點是數值計算誤差小，與傳統算法相比，縮短了計算時間。計算結果與FDTD算法結果吻合良好，證明了本文理論與數值模型的可行性和精確性。

【關鍵詞】微帶天線時域特征線算法FDTD輸入阻抗方向圖

一、引言

微帶天線以其低剖面、重量輕、尺寸小、制造成本低、易于和載體共形和易于與微波集成電路進行一體化設計等優點在航空、航天、通信及遙感、醫療等領域得到了廣泛應用。圓柱共形微帶天線是曲面共形天線中的一種較為常見和簡單的情形，對于它的研究在平面結構天線與任意曲面共形天線之間起到承前啟后的作用。

二十世紀初，時域特征線算法被J. S. Shang等人成功引入計算電磁學領域。研究表明，時域特征線算法有很多的優點，比如：（1）對于給定的初值問題的特征方程可以自然滿足邊界條件；（2）為了更好地反映電磁波傳輸的規律，采用逆風差分格式劃分空間網格，即對負特征值采用前向差分，對正特征值用后向差分；（3）此算法不需要吸收邊界條件，自動減弱不需要的反射波。

本文利用時域特征線算法研究了探針饋電重疊圓柱共形微帶天線性能。在分析過程中，空間和時間域中的差分格式均采用二階精度。通過與FDTD算法結果進行比較，驗證了輸入阻抗和輻射方向圖等天線性能計算的可靠性和準確性。

二、時域特征線算法基本理論

2.1產生矢量控制方程

本文直接計算圓柱坐標系中的Maxwell方程，避免了通過直角坐標系轉換，從而減小了計算誤差。具體而言，自由空間時域電磁場Maxwell方程在圓柱坐標系下可寫成如下矢量形式，即

2.3考慮邊界條件

在分析重疊圓柱共形微帶天線中，邊界條件有兩個，即完純導電邊界條件（PEC）和計算域與外部空間兼容邊界條件。

四、結論

本文用時域特征線算法分析了探針饋電重疊圓柱共形微帶天線的近遠場特性，在輸入阻抗和方向圖的計算中使用了GPOF方法，計算實例表明，本文所采用的方法具有很好的精度和穩定性，與FDTD得到的結果相比吻合良好。

參考文獻

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