微波天線的設計和仿真探索

何建鋒

摘 要：對于很多微波源來說，其所產生的微波模式都是為圓波導軸對稱模式，這就使得對于該種模式的輻射技術研究具有著非常重要的意義。文章就微波天線的設計和仿真進行分析與研究。

關鍵詞：微波天線；設計；仿真探索

中圖分類號：TP391.9 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2015）20-0024-02

近年來，微波技術在我國得到了較大程度的發展，很多種類型的微波器件相繼出現。目前，高功率微波無論是在通訊、導航、農業生產還是雷達方面都得到了較為廣泛的應用，尤其是在20世紀70年代之后，社會以及軍事方面對高頻率、高功率微波源的要求更使得微波技術得到了飛速的發展。其中，微波天線輻射技術可以說是對高功率微波技術進行研究的一個重點內容，將直接關系到相關信號是否能夠被有效的進行輻射。對此，就需要我們通過微波天線的仿真研究對其進行更好的設計與應用。

1 Vlasov天線仿真設計

1.1 基本原理

1.1.1 Vlasov輻射器

對于該種天線類型來說，其是1975年由俄羅斯科學家所提出的一種緊湊、結構簡單且十分有效的天線技術。在其出現之后，經過一段時間的發展成為了一種新類型的天線技術，目前，該種類型天線在實際應用中也分為了很多種類型，如根據切口形狀的差異就可以分為Helix-Cut、Step-Cut、Bevel-Cut三種型號。

在該種技術中，其具有的TE0n以及TM0n由于具有著對稱旋轉的特征，在以喇叭方式或者開口波導方式對信號進行輻射時，則往往會呈現出一種空心圓錐形狀。而為了能夠對其所具有的這種軸對稱型進行良好的改進、使其能夠在實際應用中能夠具有更好的方向性，目前也逐步開發除了一種特殊形狀末端的階梯型輻射器，其形狀如圖1（a）、（b）所示。

對于該種結構來說，其能夠將波導中所具有的軸對稱特征在輻射出之后形成一種具有方向性的空間輻射場，同時，此種結構也能夠作為天線反射面的饋源，而在此種情況下，我們也將稱之為Vlasov輻射器。而當其在直接輻射形式下對微波進行輻射時，就可以稱之為Vlasov天線。對于Vlasov輻射器來說，其在幾何光學方面鄋具有的特征較為明顯，即在軸對稱情況下，其所具有的微波矢量在波導中也是以對稱的形式進行存在的，且在周線同射線之間具有著一個夾角。而當其開口一段為階梯形狀時，其在對信號輻射過程中所具有的對稱性質也會隨之發生變化，其射向階梯的射線會被反射到了另外一側，并因此使信號輻射所具有的方向性能夠得到提升。

1.1.2 帶反射面的Vlasov天線

對于以斜切或者階梯形狀的輻射器端口來說，其在具體輻射方向性方面雖然相較以往具有一定的提升，但是在其上端射線方面依然具有著發散的特征，并因此依然具有著較好的方向性。而對于軸對稱模式來說，其所發出的射線都是從軸線位置向著端口斜上方進行輻射，在此種情況下，為了能夠獲得更好的輻射效果，就可以在在階梯或斜切口上方加一個焦線位于波導軸線上的拋物柱面，以此獲得單反射面的Vlasov天線。而對于這種具有單反射面的天線來說，其在實際應用中在同一個方向上會使波束出現變窄的情況，為了能夠再次基礎上獲得更好的增益效果，則可以在其基礎上放置二級放射面。

1.2 微波天線模擬仿真設計

1.2.1 Vlasov輻射器

在本文中，以數值模擬的方式設計了一種斜切角為30 ？觷的輻射天線，對于Vlasov輻射器來說，其切口傾角情況對于最終信號的輻射方向具有著較大的影響，當該傾角較大時，其在邊緣效應的基礎上就會使旁瓣電平隨之升高。而當傾角較小時，方向圖在特征方面則不具有較為明顯的改善情況，而當該值為30 ？觷時，可以說整個輻射方向圖具有著最為理想的狀態，這也是我們選擇該值為30 ？觷的原因。

在實際模擬時，我們在對模型進行監理時主要對以下三個因素進行了充分的考慮，即模式變換器的尺寸、斜切角的大小以及變換器鼻錐形狀等。在對這幾個因素進行確定之后，我們獲得該輻射器的結構圖，如圖2所示。

在該輻射率的頻段方面，應當能夠保證信號圓波導段TM01能夠得到有效的傳輸，即其在低頻電方面同TM01的截至頻率相比應當要高，而高頻點同TM02的截至頻率相比應當較低。在該輻射器工作過程中，當其頻率升高到出現TM02時，則會使信號具有著較為明顯的色散情況，不能夠以較為有效的方式進行輻射，并在該點附近會出現較強的反射情況。而當其工作頻率在此基礎上繼續提升時，TM01與TM01則會具有著共存的狀態，并因此時信號傳輸的方向圖出現了多瓣的情況。對此我們得到仿真之后的S11參數，如圖3所示。

從該參數圖中可以看到，在C段位置，天線在輸入端口方面所具有的反射情況較小，且天線處于良好的工作狀態。其中，4.484GHz位置所具有的反射情況最小，對此，我們可以通過對外導體半徑進行調整的方式使其所具有的最小反射點進行變化。而在進一步的研究后，我們可以得到該天線在phi=90 ？觷時，該輻射器所具有的方向圖，如圖4所示。

1.2.2 帶單反射面的Vlasov天線

經過上述研究我們可以了解到，對于以斜切或者階梯形狀的端口來說，其在軸對稱模式下，所具有的輻射方向性雖然相比以往有著一定的提升，但是在端口上端的信號發射射線方面依然具有著較為發散的特點，并因此在方向性上存在著一定的不足。為了能夠使該種情況得到一定的改進，我們則可以在原有端口的斜切或者接地上方加設一個焦線位于波導軸線上的拋物柱面，并以此形成了一種具有單反射面特點的Vlasov天線，其模擬結構圖如圖5所示。

在該種模式下，該天線在phi=90 ？觷時，該輻射器所具有的方向圖，如圖6所示。

同之前沒有經過改造的方向圖相比，該種該方式在增益方面具有了較大的提升，且在波束方面也變得更窄。可以說，經過該項改造，使天線所具有的信號發射性能得到了較大的提升。

1.2.3 帶二級反射面的Vlasov天線

在經過單反射面改造之后，天線則能夠使信號波束在單方向上得到了變窄。在此基礎上，要想進一步獲得更好的增益效果，則可以在單反射面基礎上加置二級反射面，如圖7所示。

該天線是在之前單反射面改造基礎上，再加置一個拋物柱面所形成的，其在天線phi=90 ？觷的情況下所具有的方向圖，如圖8所示。

可以看到，其在最大方向增益達到了20.6 dB，同單反射面相比具有了更大的提升。

2 結 語

在現今社會對信號傳輸的要求逐漸提升的情況下，對于微波天線的設計與研究則成為了一項非常重要的工作。在上文中，我們對Vlasov天線的設計與仿真進行了一定的研究，并獲得了一定的研究成果，具有一定的實際應用意義。

參考文獻：

[1] 趙春喜.串饋結構的微帶天線的設計[J].科技信息，2010，（26）.

[2] 王志敏.微帶天線寬頻帶小型化研究[J].成都大學學報（自然科學版），2011，（1）.

[3] 賴慧芳，曾東紅.一種圓形開槽微帶天線的設計[J].科技廣場，2013，（8）.

[4] 高向軍，王光明，朱莉，等.寬帶圓極化微帶天線的設計[J].無線電通信技術，2007，（1）.