有限導(dǎo)電平面上單極子天線間的電磁耦合

有限導(dǎo)電平面上單極子天線間的電磁耦合

例如，船船的天線（通常是單極子天線）通常相互靠近，工作在相同或不同的段落中。因?yàn)樗鼈兊陌惭b位置一般都是受限的,而與其相接的導(dǎo)電平面也是有界的,為此這些天線間的耦合通常比較大,文中就抑制此耦合提出兩種方法并加以研究。1為所要分析的模型圖1所示為兩互不相連的有限導(dǎo)電平面上各有一相平行放置的單極子天線,此即為所要分析的模型。而當(dāng)天線1作為發(fā)射天線工作時,要將部分電磁能量耦合到天線2上,則天線2的耦合電場E2由天線1的直射場、導(dǎo)電平面的反射場及其邊緣所引起的繞射場3部分組成,即E2=Ei+Er+Ed(1)1.1天線上的電流分布在討論的模型中天線的長度l與源點(diǎn)和耦合場點(diǎn)間的距離r是相當(dāng)?shù)?根據(jù)文獻(xiàn)可知直射電場Ei,z=-j30Ιm[exp(-jkr1)r1+exp(-jkr2)r2-2cos(kl)exp(-jkr)r](2)Ei,z=?j30Im[exp(?jkr1)r1+exp(?jkr2)r2?2cos(kl)exp(?jkr)r](2)式中,r,r1,r2分別為天線1的中心和上,下兩端點(diǎn)到P點(diǎn)的距離。而天線上的電流分布I(z)可利用Hallen方程及矩量法求解。其平面可近似為理想導(dǎo)電平面,故反射場可用鏡像法求得。1.2點(diǎn)和繞射邊界的位置關(guān)系與一次繞射相比二次繞射較小,為此在文中的計算中只考慮一次繞射,由文獻(xiàn)可知,由導(dǎo)電平面邊緣引起的繞射有6種不同的軌跡,這6種類型是依據(jù)場點(diǎn)、源點(diǎn)和繞射邊界的位置關(guān)系來分類的。除過3和4類型有兩個場分量外,其它每一繞射軌跡產(chǎn)生一個分量,為此天線2的繞射電場可以寫成8個分量的和,每分量為Ed,n(z2)=-Ζ0√k332π3exp(-jπ4)×δ(n,3)-d+Ιn/2∫δ(n,3)-d-Ιn/2∫h10{Dh,n(ψ′n,ψn)(1-jksn)Ι1(z′1)cosβ′ncosψncosφnsinαns′nsn×exp[-jk(sn+s′n)]}dz′1dxn(3)2導(dǎo)電平面尺寸的改進(jìn)及應(yīng)用文獻(xiàn)中把計算的模型具體為兩平面上有相同的單極子天線,天線的長度h1=h2=0.245λ0,半徑a1=a2=0.0058λ0;兩平面均為正方形,邊長l1=l2=0.29λ0;兩天線間的距離d=0.55λ0,并且都位于各自平面的中心處。所研究頻帶的中心頻率f0=c/λ0,兩天線均采用50Ω同軸饋電。圖2為文中的計算數(shù)據(jù)與文獻(xiàn)的計算和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對比,頻率為f0的歸一化,通過圖2驗(yàn)證了文中計算的正確性。由于繞射場是由導(dǎo)電平面的邊緣引起的,為此平面的尺寸對耦合是有影響的,圖3為耦合系數(shù)隨兩平面的邊A1A′1,C1C′1和A2A′2,C2C′2的長度變化的曲線,由圖3可知平面的邊長約為34λ0時,兩天線間的耦合最小。由于天線及平面間的距離在實(shí)際中都不易改變,現(xiàn)保持d和g不變,并取邊A1A′1,C1C′1和A2A′2,C2C′2的長均為0.76λ0,圖4(a)和圖4(b)分別為耦合系數(shù)隨平面1的半邊、和平面2的半邊B1C、B′1C′1的長度而變化的曲線,由圖4可知當(dāng)平面1的這一半邊長為34λ0時兩天線間耦合最小,而平面2的這一半邊約在12λ0時最佳。通過上述分析,現(xiàn)改變兩平面的尺寸,如圖5所示,取l1=l2=0.76λ0,l′1=l′2=0.145λ0,l″1=0.76λ0,l″2=0.45λ0?，F(xiàn)比較改進(jìn)后的模型與原模型中兩天線間的耦合如圖6所示,由圖5可看出兩平面的尺寸經(jīng)改進(jìn)后,其耦合降低較多。當(dāng)平面上開縫隙時由于它可引起繞射,為此會影響兩天線間的耦合,圖7(a)和圖7(b)分別為在平面1和平面2上開一長為0.49λ0,寬為0.001λ0,其中心離邊分別為A1A′1和A2A′2為0.06λ0并與y軸成對稱分布的一個縫隙時的耦合系數(shù),從此圖可知,在平面上開一縫隙可降低天線間的偶合。圖8為兩平面均開一縫隙與只開一單縫時耦合系數(shù)比較,可看出當(dāng)兩平面都開縫時耦合更小。圖9(a)～圖9(c)分別為耦合系數(shù)隨縫隙長度,寬度和縫隙與y軸所成角度的變化而變化的曲線,從此圖可看出縫隙長約為12λ0時偶合最小;縫的寬度對耦合的影響很小,這是由于縫隙軸向輻射為0;當(dāng)縫隙與y軸成90°時耦合最小。當(dāng)兩平面上各開有兩個縫隙時,由圖10可知,其相比開單縫時又進(jìn)一步降低了耦合。圖11為縫隙間隔對耦合的影響,此圖表面了在文中所分析的模型中,當(dāng)縫隙在兩天線間的導(dǎo)電平面上時縫隙的間距對耦合的影響不大。由上可推知當(dāng)在兩天線間的導(dǎo)電平面上開更多縫隙會進(jìn)一步降低其間的耦合,現(xiàn)在在兩平面上各開5個縫隙,圖12表明了開5縫時又進(jìn)一步降低了耦合,由此可證實(shí)多縫隙可較好地減小天線間的耦合。并通過上面的分析知縫隙的寬度和間隔對耦合的影響較小,為此采用多縫隙降低天線間耦合的方法在工程上是可行的,并可根據(jù)具體環(huán)境,安裝位置及條件進(jìn)行合適地加工,如可做成柵形等。有時還可兼作散熱窗使用,是一種具有實(shí)用價值的方法。通過圖12可知經(jīng)對導(dǎo)電平面尺寸進(jìn)行改進(jìn)和開5縫后在中心頻率處耦合減小1/2,其在實(shí)際工程中的數(shù)據(jù)也是理想的。綜上可知船載天線中合理地選取導(dǎo)電平面尺寸或開有多縫隙都可較好地降低兩天線間的耦合,并可同時選用以更大程度地減小其耦合。3耦合系數(shù)的計算文中采用矩量法和一致性幾何繞射理論的混合法計算出船艦上兩種有限導(dǎo)電平面上單極子天線間的耦合。由于平面的邊緣靠近輻射源(發(fā)射天線),它對天線間的耦合有影響,通過計算兩平面各邊長對耦合的影響,得出了若合理地選取平面的尺寸,可使其耦合變小。在導(dǎo)電平面上開縫隙也會影響兩天線間的耦合,文中計算并比較了在兩天線間的平面上開不同數(shù)量縫隙時耦合系數(shù)的大小,最終推出并證實(shí)了多縫隙可較好地減小兩天線間的耦合。并通過計算得出縫隙的長度大約為半工