《超宽带天线》PPT课件

超宽带电子学及应用,授课教师： 杨宏春,第 5 章 超宽带天线设计,5.1 描述天线的参数,5.1.1 描述频域天线的参数,(1) 方向图 f (,),特定频率点上，天线的远区辐射场 可以表示为,令f(,) 的最大值为1，画出的天线归一化方向图。,(2) 方向性系数D,相同条件下，天线方向图上最大功率密度与点源天线之比,(3) 增益G,相同输入功率条件下，天线方向图上最大功率密度与理想 全向天线功率密度之比,(4) 输入阻抗：天线馈电端口电压和电流之比,(5) 天线效率,其中Pr，PL，Pin分别是天线的辐射、损耗和输入功率,(6) 极化方向,天线最大辐射方向上电场矢量随时间变化在空间描出的轨迹； 天线的极化形式分为线极化，圆极化和椭圆极化三种。,(7) 带宽：天线工作的频率范围 天线有多种形式的带宽，方向图带宽增益带宽输入阻 抗带宽等，用得较多的是天线输入阻抗带宽。,5.1.2 描述时域天线的参数,(1) 波形保真系数,两个信号f1(t)和f2(t)的自相关和它们之间的互相关定义为,两个时域信号的波形保真系数为最大归一化互相关系数,(2) 能量方向图,(3) 能量方向系数,(4) 能量辐射效率,(5) 天线传输因子,(6) 天线输入反射系数,(7) 辐射阻抗,(8) 增益,(9) 极化特性,(9) 天线波束角,(10) 能量因子,(11) 有效能量高度,(13) 天线能量传输因子,(12) 有效高度,(14) 天线因子,(15) 有效面积,Vre(t)为接收信号电压，Ire(t)为接收电流，Ein(t)为入射电场,5.2 高功率一体化Vivaldi天线设计,(1) 设计要求,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； 辐射天线为定向天线且具有较高的辐射效率； 阵列辐射天线布阵时应使各单元天线间的耦合尽可能小。,(2) 设计思路,定向天线选择； 一体化设计思路；,5.2.1 Blumlein线设计,Blumlein形成线机械结构设计,储能电容参数,光导开关输出电脉冲波形满足,设PCSS电压转换效率为U，天线阻抗RA，输出电脉冲能量out,平行板电容器电容设计应满足,Blumlein线长度参数,实现Blumlein线对lock-on锁定脉冲截波，则,Blumlein线宽度参数,微带线阻抗经验公式,依据天线输入阻抗、储能电容、脉宽要求，可以确定Blumlein 线长、宽、高参数,5.2.2 一体化天线参数计算,(1) 高斯脉冲的频谱分析,高斯函数,其中,以幅值半峰值为标准，馈电脉冲带宽0,fh,其中,(2) Blumlein线S参数,频率为 f 的电磁脉冲在介电常数为 r 的介质中的速度,考虑驻波条件,各驻波点频率,(3) 槽天线仿真计算,Vivaldi天线指数曲线,指数曲线化简,I 馈电点缝宽对槽天线参数的影响,缝宽为0 mm时，低频点最低； 缝宽为0 mm时，辐射带宽内阻抗约40；,结论：缝宽取为0 mm,II 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，阻抗变化率加大；,结论：长度取260 mm有助于天线小型化；且阻抗变化率相对 较小,III 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，阻抗变化率减小，但变化幅度很小；,结论：宽度取260 mm有助于天线小型化；且阻抗变化率变化 幅度不大,(4) 一体化天线仿真与优化,I S参数仿真与优化,II 时域波形与方向图,III 非对称一体化天线,5.3 全向偶极子天线设计,5.3.1 设计要求,偶极子天线辐射的电磁脉冲波形为类二阶高斯脉冲波形 其底宽T=5 ns1 ns；拖尾脉冲幅值A1/A0.1,5.3.2 设计思路,依输出脉冲波形频谱确定输入脉冲波形及天线尺寸 采用加载等方法优化天线参数，实现设计指标,5.3.3 频谱分析,(1) 输出脉冲信号频谱,典型输出脉冲信号波形函数可近似为,以此对输出脉冲信号作频谱分析,比较不同输出脉冲信号波形，可确定输入信号脉冲波形，天 线中心频率及带宽等参数范围,(2) 输入脉冲信号频谱,各阶高斯函数的频谱计算,各阶高斯函数频谱图,依据输出脉冲信号频谱及输入脉冲信号波形，确定输入脉 冲脉宽参数 输入脉冲信号采用一阶高斯函数 输入脉冲信号脉宽选择标准,5.3.4 天线参数,(1) 天线长度,谐振点频率,天线谐振点频率应该与输出信号的中心频率相等，由此决定 天线的长度,(2) 天线其它参数的优化计算,金属导体半径 圆锥尺寸优化 缝隙宽度优化 时域波形优化 时域方向图优化,(3) 天线加载,