宋立眾, 丁　暢, 劉尚吉, 王永建

(1. 哈爾濱工業(yè)大學(xué)(威海) 信息與電氣工程學(xué)院, 山東 威?！?64209;2. 中國航空工業(yè)集團公司濟南特種結(jié)構(gòu)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(wǎng)絡(luò)應(yīng)急技術(shù)處理協(xié)調(diào)中心, 北京　100029)

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超寬帶喇叭天線電磁仿真與教學(xué)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(yè)大學(xué)(威海) 信息與電氣工程學(xué)院, 山東 威海264209;2. 中國航空工業(yè)集團公司濟南特種結(jié)構(gòu)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(wǎng)絡(luò)應(yīng)急技術(shù)處理協(xié)調(diào)中心, 北京100029)

以科研項目中的實驗測量系統(tǒng)研制為背景,結(jié)合實際的教學(xué)目標(biāo),開展了寬帶加脊喇叭天線的結(jié)構(gòu)設(shè)計和實驗研究?；诔瑢拵Ъ蛹估忍炀€的原理和系統(tǒng)的工作頻率等技術(shù)指標(biāo)要求,設(shè)計了具體的寬帶喇叭天線的結(jié)構(gòu),采用全波電磁仿真軟件進行參數(shù)優(yōu)化；對加工的寬帶喇叭天線進行了性能測試。結(jié)果表明，在2～4 GHz的阻抗帶寬內(nèi)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(xué)和科研相結(jié)合的教學(xué)實踐,提高了教學(xué)效果,也為實際科研項目的開展發(fā)揮了重要的作用。

超寬帶天線； 教學(xué)實驗； 電磁仿真； 交叉極化

項目驅(qū)動教學(xué)模式是本科專業(yè)課程教學(xué)改革的重要內(nèi)容之一,具有教學(xué)方法和教學(xué)內(nèi)容上的創(chuàng)新性。微波技術(shù)與天線課程是電磁場與無線技術(shù)專業(yè)的專業(yè)課程之一,占有重要地位。微波技術(shù)與天線課程的特點是既有很深的基礎(chǔ)理論知識,同時又與工程實踐密切聯(lián)系,具有很強的工程實踐性。近年來,微波技術(shù)與天線學(xué)科快速發(fā)展,各種新的理論和技術(shù)不斷出現(xiàn),微波器件與電路的設(shè)計方法也發(fā)生了重要的變化,讓本專業(yè)學(xué)生有機會接觸實際的工程實踐對于提高學(xué)生的學(xué)習(xí)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(qū)動的寬帶喇叭天線研制的實踐教學(xué)過程

在項目驅(qū)動教學(xué)模式中,學(xué)生在掌握課堂教學(xué)中的理論知識的基礎(chǔ)上,參與指導(dǎo)教師的超寬帶加脊喇叭天線的科研工作；根據(jù)教學(xué)環(huán)節(jié)的教學(xué)內(nèi)容以及科研項目的任務(wù)要求,提出教學(xué)設(shè)計目標(biāo)和任務(wù)；學(xué)生在掌握基本的電磁仿真和設(shè)計方法的基礎(chǔ)上和指導(dǎo)教師一起完成項目的設(shè)計工作,進行相應(yīng)的元件器的加工和測試,并將其應(yīng)用在實際的科研項目中。本文基于該教學(xué)模式,開展了超寬帶加脊喇叭天線的實踐教學(xué)活動,進行了教學(xué)任務(wù)的提出、天線的設(shè)計與實現(xiàn)等教學(xué)環(huán)節(jié)的實踐,達到了預(yù)期的教學(xué)目標(biāo)。該實踐教學(xué)活動可同時適用于本專業(yè)本科學(xué)生和研究生的實踐教學(xué)環(huán)節(jié)。本文討論的超寬帶加脊喇叭天線的教學(xué)過程如圖1表示。

圖1　基于寬帶喇叭天線研制的實踐教學(xué)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(xiàn)等優(yōu)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(yōu)越性[13-16]。本文根據(jù)科研項目中對發(fā)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(xiàn)方案?；趯拵Ъ蛹估忍炀€的基本原理,本文首先介紹了超寬帶加脊喇叭天線的結(jié)構(gòu),然后給出了具體的天線輻射性能的仿真結(jié)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(jié)果達到了預(yù)期的要求,適合于實際的工程應(yīng)用。

2　超寬帶加脊喇叭天線的基本結(jié)構(gòu)

喇叭天線是一種基本的面天線形式,具有結(jié)構(gòu)簡單和輻射特性好的特點。超寬帶喇叭設(shè)計的基本方法是在喇叭的波導(dǎo)段和喇叭張開部分加入脊結(jié)構(gòu),稱之為加脊喇叭天線。加脊喇叭天線的結(jié)構(gòu)(見圖2)包括喇叭段、脊結(jié)構(gòu)、加脊波導(dǎo)段、直波導(dǎo)段和饋電結(jié)構(gòu)。加脊喇叭天線的重要任務(wù)之一是設(shè)計出滿足要求的脊波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)和喇叭內(nèi)脊曲線的形式,最終實現(xiàn)寬帶的阻抗匹配和輻射方向圖性能，完成天線結(jié)構(gòu)的設(shè)計。直波導(dǎo)濾除脊波導(dǎo)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(jié)構(gòu)進行參數(shù)化建模和性能優(yōu)化,最終確定天線的結(jié)構(gòu)。本文中加脊喇叭天線的脊指數(shù)曲線表達設(shè)為

(1)

式中,r取0.04,常數(shù)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(jù)仿真結(jié)果,這里取x1=0.8mm,b=103.5mm。本文設(shè)計的喇叭天線的模型見圖2。

圖2　加脊喇叭天線結(jié)構(gòu)圖

在加脊喇叭天線的設(shè)計中,兩個脊的邊緣采用切角處理,在加脊波導(dǎo)段采用了漸變結(jié)構(gòu),以改善輸入端的電壓駐波比。采用同軸探針直接饋電,結(jié)構(gòu)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(jié)果及分析

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

圖4　加脊喇叭天線的VSWR仿真結(jié)果

本文設(shè)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(jié)果

圖6　頻率為3 GHz時加脊喇叭天線的增益方向圖仿真結(jié)果

圖7　頻率為4 GHz時加脊喇叭天線的增益方向圖仿真結(jié)果

本文設(shè)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(jié)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(jié)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(jié)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(jié)果

對上述仿真得到的輻射方向圖特性進行統(tǒng)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?？梢钥闯?隨著頻率的升高,加脊喇叭天線的增益呈現(xiàn)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(jié)果

對設(shè)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(wǎng)絡(luò)分析儀對天線的輸入端的電壓駐波比(VSWR)進行測試,測試結(jié)果見圖14。從圖14的VSWR測試結(jié)果可以看出,在2～4 GHz整個寬頻帶范圍內(nèi),VSWR小于2,滿足設(shè)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(jié)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(yīng)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(xiàn)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(fā)生一定偏移。

5　結(jié)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(shè)備之一。本文以科研項目中研究自制測試設(shè)備為背景,將科研項目引入到微波技術(shù)天線課程的實踐教學(xué)中,指導(dǎo)學(xué)生完成了超寬帶雙極化加脊喇叭天線的設(shè)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(xué)生的實踐能力和對專業(yè)知識的掌握水平顯著提高,發(fā)揮了科研項目在專業(yè)課程教學(xué)中的作用,教學(xué)效果很好。本文研制的喇叭天線在技術(shù)指標(biāo)等方面,達到了預(yù)期的目標(biāo),可應(yīng)用于實際的微波電磁系統(tǒng)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(yīng)用提供技術(shù)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(jié)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(yè)大學(xué)(威海)校級教學(xué)研究項目(ITDA10002104);國家科技重大專項(2014ZX03003001-004);航空科學(xué)基金項目(20131837001);國家自然科學(xué)基金面上項目(61271118)

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

E-mail:songlizhong@hitwh.edu.cn

TN820;G642.0

A

1002-4956(2016)6-0031-07