寬帶平面Balun偶極子天線的FDTD分析概要

1、寬帶平面Balun偶極子天線的FDTD分析摘 要：研究了應(yīng)用時(shí)域有限差分法（FDTD）方法分析了平面Balun偶 極子天線。結(jié)果表明，F(xiàn)DTD方法分析平面結(jié)構(gòu)的天線非常有效。通過計(jì)算，可 以得到天線的回波損耗和輻射特性，同時(shí)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相比，具有較好的一致 性，對于天線的分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)具有一定的指導(dǎo)意義。關(guān)鍵詞 ：寬帶；偶極子；微帶天線； FDTD1 引言隨著通信系統(tǒng)的不斷發(fā)展，使得天線技術(shù)日益快速的發(fā)展。各種新型通信系統(tǒng)的出現(xiàn)， 對于天線的尺寸帶寬都有較為嚴(yán)格的要求。平面偶極子天線具有重量輕、體積小、成本低、便 于集成和組成陣列等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于各種移動通信的天線中。這類天線應(yīng)用Balun 結(jié)

2、構(gòu)饋電方式 1，不但克服了平面天線帶寬窄的缺點(diǎn)，在相對帶寬40%的頻帶內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了天線的駐波比小于 2，同時(shí)也具有良好的全向特性。經(jīng)過合理的設(shè)計(jì)可以使這種天線應(yīng)用于各種場合。以往的印刷偶極子天線單元的設(shè)計(jì)一般都采用經(jīng)驗(yàn)方法設(shè)計(jì)，這種方法先利用該天線的等 效電路選擇初始設(shè)計(jì)參數(shù)，再利用實(shí)驗(yàn)反復(fù)調(diào)節(jié)，直到調(diào)試出滿足要求的天線單元。這樣設(shè)計(jì) 出的天線單元，不僅研制成本高，周期長，而且天線的電性能往往不能很好地滿足要求。很長 時(shí)間以來，沒有一個(gè)很好的方法準(zhǔn)確計(jì)算這種類型天線的性能。隨著近年來，時(shí)域全波分析方 法時(shí)域有限差分法在電磁領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用，他可以直接獲得時(shí)域解，并且通過傅氏變換, 可以得到所需頻率

3、范圍的頻響特性。這種方法可以靈活處理不規(guī)則形狀的平面微帶電路和天線2，在計(jì)算結(jié)構(gòu)復(fù)雜的電磁問題具有非常大的靈活性。FDTD方法的基本原理是采用時(shí)間和空間的中心差分對Maxwell方程直接離散化：2幻，用Guass脈沖激勵(lì)，通過 FFT, 一次計(jì)算就可以得到天線的寬頻帶特性。在平面Balun偶極子天線的設(shè)計(jì)中，饋電網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)直接影響到天線的電性能。本文將應(yīng)用這種方法，對平面Balun 偶極子天線的電性能如駐波、方向圖進(jìn)行分析，其計(jì)算結(jié)果對于天線優(yōu)化設(shè)計(jì)具有一定的指導(dǎo)作 用。2 分析方法2.1 印刷偶極子天線單元的工作原理印刷偶極子天線單元的結(jié)構(gòu)如圖 1 所示，他是一個(gè)帶有 Balun 饋電結(jié)構(gòu)的

4、印刷偶極子，其 等效電路如圖 2 所示。根據(jù)圖 2，由傳輸線理論，有：其中，乙是將Zin變換為50 Q的1/4波長阻抗變換器的特性阻抗；Zb是開路枝節(jié)的特性阻抗；Zab是振子兩臂之間開縫處的等效共面波導(dǎo)的特性阻抗。e a，e b和e址分別為對應(yīng)微帶線的電長度。在最初的設(shè)計(jì)中，一般地 e a=90°， e b=90°和e訪=90°。2.2 計(jì)算網(wǎng)格設(shè)置印刷偶極子天線的計(jì)算空間設(shè)置如圖 3 所示，天線完全處于計(jì)算空間中，在計(jì)算空間的吸收邊界采用理想匹配層吸收邊界（PML）句，計(jì)算分為4層，設(shè)定反射系數(shù) R=0.01，介質(zhì)基片和微帶饋線深入到 PML中，以保證介質(zhì)基片和

5、微帶饋線在截?cái)嗵師o反射。2.3介質(zhì)層中PML的處理完全匹配層（PML）是通過在FDTD區(qū)域截?cái)噙吔缭O(shè)置一種特殊的介質(zhì)層，該層介質(zhì)的波阻抗與相鄰介質(zhì)的波阻抗完全匹配，入射波將無反射地穿過分解面而進(jìn)入PML PML介質(zhì)應(yīng)滿足阻抗匹配條件，即對于自由空間中的PML中的電導(dǎo)率為b ,磁導(dǎo)率為（T m,則b和（T m滿足下列關(guān)系：而在相對介電常數(shù)為 的介質(zhì)中的PML,若要滿足與自由空間同樣的反射系數(shù)，其電 導(dǎo)率應(yīng)為e r T ,則磁導(dǎo)率可由下式求岀：由此，在計(jì)算過程中，介質(zhì)中的PML的電導(dǎo)率是自由空間中的er倍，磁導(dǎo)率將保持不變。在FDTD的迭代公式中，用 e rt代替t ,用e r e。代替e。，就可

6、以得到介質(zhì)中的PML迭代公式。2.4 微帶線激勵(lì)源設(shè)置應(yīng)用FDTD方法分析微帶線，微帶線激勵(lì)源的設(shè)置一般是將激勵(lì)平面設(shè)在邊界面上，并且 將激勵(lì)源平面設(shè)置為電壁 6,7，在微帶線與接地面之間強(qiáng)迫加入激勵(lì)的Guass 脈沖，而激勵(lì)面的其余部分的切向電場設(shè)為0。本文的激勵(lì)源設(shè)置采用另一種方法：將激勵(lì)設(shè)置劃分岀來成為一個(gè)單獨(dú)的網(wǎng)格空間 （激勵(lì)空間 ） ，將研究的微帶結(jié)構(gòu)處于另一個(gè)網(wǎng)格空間 （微帶結(jié)構(gòu)空間 ），激 勵(lì)空間的作用是迭代產(chǎn)生岀微帶線入射波的場，然后將這一入射波的場通過迭加到微帶結(jié)構(gòu)網(wǎng) 格空間中。為使激勵(lì)空間僅有入射波，空間兩端用PML吸收層端接，并將微帶線延伸入PML中。對于微帶空間結(jié)構(gòu)來說

7、，連接面就是總場與反射場的分界面，他的反射區(qū)域終端連接著 PML，與饋電無關(guān)，不存在二次反射。這種方法克服了由于微帶不連續(xù)性或微帶天線處產(chǎn)生的反 射在源平面要產(chǎn)生二次反射。這種源既可以用于脈沖波激勵(lì)，也可以用于正弦波激勵(lì)。計(jì)算過 程中，源平面無需切換成吸收邊界。計(jì)算天線的諧振頻率，采用高斯脈沖激勵(lì)，通過FFT，一次計(jì)算就可以得到上述參數(shù)的寬頻特性。在計(jì)算天線的方向圖時(shí)，為減少對計(jì)算機(jī)的存儲空間和計(jì)算量，一般采用正弦波激 勵(lì)。在這里，計(jì)算時(shí)采用強(qiáng)迫的正弦調(diào)制高斯激勵(lì)脈沖為：3 計(jì)算結(jié)果本文研究的寬帶 Balun 偶極子天線，其結(jié)構(gòu)如圖 1 所示，微帶基片選用聚四氟乙烯玻璃纖維，相對介電常數(shù)er

8、=2.65，厚度H=1.0mm偶極子天線振子長度L=30.2mm,振子寬度D=4mrp振子兩臂中間的中縫的間距S=0.2mm長度l=13.8mm。Balun饋電結(jié)構(gòu)的參數(shù)值 Za=65Q, W=1.8mm, l a=12.6mm； Zb=75 Q, W=1.4mm, l b=14.2mm。在設(shè)計(jì)過程中，可以調(diào)節(jié)l 和I b,使得Balun偶極子天線獲得更好的寬帶特性。計(jì)算時(shí)，當(dāng) lb在13.015.4m m,每隔0.4mm 選擇一點(diǎn)分別計(jì)算岀天線的回波損耗和駐波比的頻率特性。所采用的FDTD網(wǎng)格空間為30 A xx200 A y x 120 A z，空間步長 A x= A y= A z=0.2

9、 mm，計(jì)算需要 5000個(gè)時(shí)間步長。計(jì)算結(jié)果如圖4所示。從圖4中的數(shù)據(jù)可以得到在lb=14.2mm時(shí)，天線的駐波較小，頻帶較寬。這時(shí)天線在工作頻率為f°=5GHz時(shí)，E面和H面方向圖如圖5所示。從計(jì)算結(jié)果中可以看岀，當(dāng)lb在1/4波長附近選擇適當(dāng)?shù)闹?，可以獲得很好的頻率特性；從方向圖可以看岀，用 Balun 饋電的平面偶極子天線的方向圖與普通偶極子天線具有同樣的輻射特性。4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果利用上述的計(jì)算結(jié)果，在一塊50 mmx 70 mmx 1 mm的=2.65的介質(zhì)板上設(shè)計(jì)制作了一個(gè)Balun平面偶極子天線，其中l(wèi) b=14.2mmo率特性，可以看岀，從 4.36GHz的頻帶內(nèi)，天線的

10、駐波比都小于 2。但是由于基片的特性不夠理想，加工的精度不夠和測試誤差的影響，由 于頻率較高，也增加了測試的難度。使得測量值與計(jì)算值相差比較大。圖 7 所示為天線 E 面和 H 面實(shí)測方向圖。由于 Balun 饋電結(jié)構(gòu)的不對稱性和饋電接頭的影響，在測試中，引起天線H面方向圖的不圓度加大，E面方向圖發(fā)生略微的畸變，但仍為個(gè)偶極子天線，與計(jì)算結(jié)果相近。5 結(jié)論Balun偶極子天線是一種寬帶全向的平面天線，在無線通信和WLAh中得到廣泛的應(yīng)用8。這種天線以前的設(shè)計(jì)與分析，僅僅是用等效電路粗略的計(jì)算，在利用實(shí)驗(yàn)的方法調(diào)試，直 到滿足要求為止。而應(yīng)用FDTD方法設(shè)計(jì)分析這種天線，研究不平衡饋電結(jié)構(gòu)的參數(shù)

11、對天線寬頻特性的影響，在理論計(jì)算的基礎(chǔ)上選擇合理的參數(shù)，試制Balun 偶極子天線。通過實(shí)驗(yàn) , 測試結(jié)果與計(jì)算結(jié)果吻合得較好，說明用FDTD方法計(jì)算Balun平面偶極子天線的計(jì)算結(jié)果是可靠的，同時(shí)也給設(shè)計(jì)分析 Balun 偶極子天線提供了一種較為準(zhǔn)確的方法。參考文獻(xiàn)Microwave Journal, 1987, 3393442 Taflove AComputational electrodynamics:The finitedifference time domainmethodMArtech House, Inc ，19983 高本慶時(shí)域有限差分法 M 北京：國防工業(yè)出版社 , 1995

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