超寬帶喇叭天線電磁仿真與教學實驗研究

宋立眾, 丁　暢, 劉尚吉, 王永建

(1. 哈爾濱工業大學(威海) 信息與電氣工程學院, 山東 威海　264209;2. 中國航空工業集團公司濟南特種結構研究所 高性能電磁窗航空科技重點實驗室, 山東 濟南　250023;3. 國家計算機網絡應急技術處理協調中心, 北京　100029)

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超寬帶喇叭天線電磁仿真與教學實驗研究

宋立眾1, 丁暢1, 劉尚吉2, 王永建3

(1. 哈爾濱工業大學(威海) 信息與電氣工程學院, 山東 威海264209;2. 中國航空工業集團公司濟南特種結構研究所 高性能電磁窗航空科技重點實驗室, 山東 濟南250023;3. 國家計算機網絡應急技術處理協調中心, 北京100029)

以科研項目中的實驗測量系統研制為背景,結合實際的教學目標,開展了寬帶加脊喇叭天線的結構設計和實驗研究。基于超寬帶加脊喇叭天線的原理和系統的工作頻率等技術指標要求,設計了具體的寬帶喇叭天線的結構,采用全波電磁仿真軟件進行參數優化；對加工的寬帶喇叭天線進行了性能測試。結果表明，在2～4 GHz的阻抗帶寬內駐波比小于2,增益大于8 dB,方向圖具有寬波束性能,交叉極化電平低于-30 dB,滿足實際科研項目的需要。通過該教學和科研相結合的教學實踐,提高了教學效果,也為實際科研項目的開展發揮了重要的作用。

超寬帶天線； 教學實驗； 電磁仿真； 交叉極化

項目驅動教學模式是本科專業課程教學改革的重要內容之一,具有教學方法和教學內容上的創新性。微波技術與天線課程是電磁場與無線技術專業的專業課程之一,占有重要地位。微波技術與天線課程的特點是既有很深的基礎理論知識,同時又與工程實踐密切聯系,具有很強的工程實踐性。近年來,微波技術與天線學科快速發展,各種新的理論和技術不斷出現,微波器件與電路的設計方法也發生了重要的變化,讓本專業學生有機會接觸實際的工程實踐對于提高學生的學習興趣和實際工程能力的提高具有重要的作用。

1　基于項目驅動的寬帶喇叭天線研制的實踐教學過程

在項目驅動教學模式中,學生在掌握課堂教學中的理論知識的基礎上,參與指導教師的超寬帶加脊喇叭天線的科研工作；根據教學環節的教學內容以及科研項目的任務要求,提出教學設計目標和任務；學生在掌握基本的電磁仿真和設計方法的基礎上和指導教師一起完成項目的設計工作,進行相應的元件器的加工和測試,并將其應用在實際的科研項目中。本文基于該教學模式,開展了超寬帶加脊喇叭天線的實踐教學活動,進行了教學任務的提出、天線的設計與實現等教學環節的實踐,達到了預期的教學目標。該實踐教學活動可同時適用于本專業本科學生和研究生的實踐教學環節。本文討論的超寬帶加脊喇叭天線的教學過程如圖1表示。

圖1　基于寬帶喇叭天線研制的實踐教學過程

加脊喇叭天線是一種常用的超寬帶天線類型[1-6],它具有輻射效率高、交叉極化電平低、方向圖形狀理想和適合于加工實現等優點[7-12]。同時,加脊喇叭天線適合于做成單極化或者雙極化的工作模式,在交叉極化電平和端口隔離度等方面均具有優越性[13-16]。本文根據科研項目中對發射天線提出的寬波束、寬頻帶和低交叉極化電平的要求,采用加脊喇叭天線作為實現方案。基于寬帶加脊喇叭天線的基本原理,本文首先介紹了超寬帶加脊喇叭天線的結構,然后給出了具體的天線輻射性能的仿真結果,最后,采用機械加工方法制作了一款天線原理樣機,在微波暗室中進行了該天線的輻射性能的測試,測試結果達到了預期的要求,適合于實際的工程應用。

2　超寬帶加脊喇叭天線的基本結構

喇叭天線是一種基本的面天線形式,具有結構簡單和輻射特性好的特點。超寬帶喇叭設計的基本方法是在喇叭的波導段和喇叭張開部分加入脊結構,稱之為加脊喇叭天線。加脊喇叭天線的結構(見圖2)包括喇叭段、脊結構、加脊波導段、直波導段和饋電結構。加脊喇叭天線的重要任務之一是設計出滿足要求的脊波導的結構和喇叭內脊曲線的形式,最終實現寬帶的阻抗匹配和輻射方向圖性能，完成天線結構的設計。直波導濾除脊波導激起的高次模,起著展寬喇叭工作帶寬的作用[1,17]。本文采用全波電磁仿真軟件對該天線結構進行參數化建模和性能優化,最終確定天線的結構。本文中加脊喇叭天線的脊指數曲線表達設為

(1)

式中,r取0.04,常數a和c的表達式為:

(2)

(3)

此處,x1為饋電處兩個脊之間的間距,b為喇叭上端口面的窄邊的長度。根據仿真結果,這里取x1=0.8mm,b=103.5mm。本文設計的喇叭天線的模型見圖2。

圖2　加脊喇叭天線結構圖

在加脊喇叭天線的設計中,兩個脊的邊緣采用切角處理,在加脊波導段采用了漸變結構,以改善輸入端的電壓駐波比。采用同軸探針直接饋電,結構簡單,輸出端為SMA接頭形式。本天線的前視圖和俯視圖如圖3所示。

圖3　加脊喇叭天線的前視圖和俯視圖

3　超寬帶加脊喇叭天線的電磁仿真結果及分析

本文設計的加脊喇叭天線的電壓駐波比的仿真結果如圖4所示,可以看出,該天線在2～6 GHz范圍內的電壓駐波比小于2,滿足設計要求。

圖4　加脊喇叭天線的VSWR仿真結果

本文設計的加脊喇叭天線在2、3、4 GHz時的輻射方向圖分別如圖5、圖6和圖7所示,在每一幅圖中分別給出了在xoz面(H面)和yoz面(E面)的輻射增益方向圖,可以看出,該天線方向圖形狀較為理想,后瓣較小,適合于實驗中使用。

圖5　頻率為2 GHz時加脊喇叭天線的增益方向圖仿真結果

圖6　頻率為3 GHz時加脊喇叭天線的增益方向圖仿真結果

圖7　頻率為4 GHz時加脊喇叭天線的增益方向圖仿真結果

本文設計的加脊喇叭天線在2、3、4 GHz時的交叉極化電平的方向圖仿真結果分別如圖8、圖9和圖10所示,在每一幅圖中分別給出了在xoz面(H面)和yoz面(E面)的交叉極化電平的方向圖,可以看出,該天線的交叉極化電平很低,可以滿足本項目實驗的要求。

圖8　頻率為2 GHz時加脊喇叭天線的交叉極化電平方向圖仿真結果

圖9　頻率為3 GHz時加脊喇叭天線的交叉極化電平方向圖仿真結果

圖10　頻率為4 GHz時加脊喇叭天線的交叉極化電平方向圖仿真結果

對上述仿真得到的輻射方向圖特性進行統計分析,得到的增益隨著頻率變化的特性如圖11所示,在xoz面(H面)和yoz面(E面)的波束寬度隨著頻率的變化特性如圖12所示。可以看出,隨著頻率的升高,加脊喇叭天線的增益呈現上升的趨勢,波束寬度隨之變窄。

圖11　加脊喇叭天線的增益隨著頻率變化的特性

4　超寬帶加脊喇叭天線的測試結果

對設計的超寬帶加脊喇叭天線進行了測試,天線實物照片見圖13。采用矢量網絡分析儀對天線的輸入端的電壓駐波比(VSWR)進行測試,測試結果見圖14。從圖14的VSWR測試結果可以看出,在2～4 GHz整個寬頻帶范圍內,VSWR小于2,滿足設計要求。圖15和圖16分別為天線在2、3、4 GHz頻點時在H面和E平面歸一化方向圖測試結果,可以看出,該天線形成了較好的方向圖,交叉極化電平較低,適合實際應用。由于天線加工誤差和測試誤差等原因,本天線的方向圖有起伏現象和略微的不對稱性；測試安裝支架的定位誤差也會引起主波束發生一定偏移。

5　結語

具有良好的交叉極化特性的超寬帶天線是某些科研項目中的常用實驗設備之一。本文以科研項目中研究自制測試設備為背景,將科研項目引入到微波技術天線課程的實踐教學中,指導學生完成了超寬帶雙極化加脊喇叭天線的設計、電磁仿真和性能測試工作。通過一整套具體的科研活動,學生的實踐能力和對專業知識的掌握水平顯著提高,發揮了科研項目在專業課程教學中的作用,教學效果很好。本文研制的喇叭天線在技術指標等方面,達到了預期的目標,可應用于實際的微波電磁系統的實驗測試工作。本文的研究成果可以為該天線的某些實際工程應用提供技術參考。

圖12　波束寬度隨頻率變化曲線

圖16　超寬帶加脊喇叭天線的E平面歸一化輻射方向圖仿真結果

References)

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Research on electromagnetic simulation and teaching experiment with an ultra wide band horn antenna

Song Lizhong1, Ding Chang1, Liu Shangji2, Wang Yongjian3

(1. School of Information and Electrical Engineering,Harbin Institute of Technology at Weihai,Weihai,264209, China;2. The Research Institute for Special Structures of Aeronautical Composite AVIC,The Aeronautical Science Key Lab for High Performance Electromagnetic Windows,Ji’nan 250023, China; 3. National Computer Network Emergency Response Technical, Coordination Center of China,Beijing 100029,China)

Taking the measurement system research background, considering the actual teaching goal,the structure design and experiment research of a wide band ridge-loaded horn antenna was carried out. According to the working principle of the ultra wide band (UWB) ridge-loaded horn antenna and technical requirements of designed system such as the working frequency,the specific structure of UWB horn antenna was designed and the parameters of the designed horn were optimized by the electromagnetic simulation. The working performances of the fabricated UWB horn antenna were measured. The measurement results show that the voltage standing wave ratio(VSWR) of the fabricated horn antenna is lower than 2 and the gains are higher than 8 dB within the impedance bandwidth from 2GHz to 4GHz. The radiation pattern has wide beam width and the cross polarization level is lower than -30 dB. The performance indexes of the designed UWB antenna can satisfy the requirements of the project. The teaching effect can be improved by use of the teaching practice combined with the teaching and scientific research. At the same time,the research work also plays an important role in the practical scientific research project.

wide band antenna； teaching experiment; ultra electromagnetic simulation; cross polarization

DOI:10.16791/j.cnki.sjg.2016.06.010

2015-12-04修改日期：2016-01-26

哈爾濱工業大學(威海)校級教學研究項目(ITDA10002104);國家科技重大專項(2014ZX03003001-004);航空科學基金項目(20131837001);國家自然科學基金面上項目(61271118)

宋立眾(1975—)，男，遼寧沈陽，教授，博士生導師，研究方向為天線技術、電磁場與微波技術、雷達技術.

E-mail:songlizhong@hitwh.edu.cn

TN820;G642.0

A

1002-4956(2016)6-0031-07