新型EMC宽带TEM喇叭天线设计

EMC/EMI设计 2021-04-07118网络整理

  本文提出了一种结构新颖的宽带TEM喇叭天线,满足电磁兼容(EMC)测量设备对宽频带天线的需求。天线辐射结构采用了上下对称的双指数渐变复合结构的金属板,使得天线的谐振模式大大增加,从而拓展带宽天线,然后通过巴伦结构与同轴线匹配馈电,降低输入端不平衡馈电造成的强反射。经过结构尺寸的仿真优化,天线尺寸为0.356λ&TImes;0.15λ&TImes;0.2λ(λ为最低工作频率对应波长)。在 0.3GHz-10GHz频率范围内,天线的电压驻波比基本低于2,具有超过30个倍频程的良好的宽带特性。并且在工作频率范围内,天线辐射方向图稳定,增益高。本文提出的宽带TEM喇叭天线具有宽带和良好的辐射性能,在EMC测量具有广泛的应用前景。

  一、引言

  电磁兼容(EMC)作为电气科学的分支,是主要研究系统发射、传播和接收过程中的出现的电磁干扰能量并且分析和解决这些能量可能产生的不良影响的一门学科。EMC的研究是现代电子科技发展的必要条件。在EMC工程应用中,测试频率范围需求越来越宽,因此EMC测试对天线的宽带性能期望也越来越高[1]。符合宽带性能要求的天线结构通常为:喇叭天线,对数周期天线,双锥天线等。

  喇叭天线由于其结构简单,具有高增益和宽带特性而广泛应用于EMC测量天线。其中 TEM喇叭天线因为具有更简单的结构,更易于激励而得到了广泛的重视[2,3]。对于TEM喇叭天线的研究,一直以来都收到人们关注。M.Kanda通过研究阻抗加载对TEM喇叭天线的影响,使得天线带宽得以通过阻抗加载展宽[4]。A. S. Turk等人通过在天线加载介质以及采用形状独特的金属平板来提高TEM喇叭天线的带宽[5]。本文提出了一种辐射部分为对称双渐变复合结构金属板的宽带 TEM喇叭天线,并且通过CST建模和仿真优化,最终设计出具有良好宽带特性和高增益性能的天线。

  二、天线设计

  A. TEM喇叭天线工作原理

  传统的TEM喇叭天线一般由两个具有一定张角的平面三角金属板和馈电部分组成。其工作原理可以用平行传输线的模型来阐释。如果把平面金属板分成足够小的N段区域,等效为N段短平行传输线,每段区域近似为平行的具有不同宽度的短金属板,如图 1所示。那么,从馈电端开始,每一段区域的输入输出阻抗可以通过公式(1)表示[6]:

   (1)

  其中Zin为输入阻抗,Zout为输出阻抗,l为传输线长度, Z0为传输线特性阻抗,β为传输线波数。

  渐变传输线模型

  图1. 渐变传输线模型

  馈电端阻抗一般为50Ω或者75Ω,因此为了匹配延伸向自由空间的口径阻抗120πΩ,天线的平面金属板需要具有一定渐变结构,即每一段区域的金属板宽度和金属板间距应随距离的延伸而逐渐变化,因此对金属板的尺寸以及金属板仰角的选取就成了决定天线阻抗带宽的重要因素。

  B.宽带TEM喇叭天线设计

  本文设计的宽带TEM喇叭天线主要由同轴馈电和辐射金属板两部分组成:馈电部分为同轴馈电线,通过巴伦结构匹配到天线辐射金属板;辐射部分为上下对称的双渐变复合金属板,通过优化设计渐变结构展宽天线带宽。

  对于一个通带内阻抗几乎恒定的TEM喇叭天线,通常存在的问题是输入端不平衡馈电造成的强反射。为了避免和减少这些反射,在TEM喇叭天线的输入端应该通过巴伦结构来实现阻抗变换,使天线与馈电线在通带内阻抗匹配。本文天线设计的椭圆渐变线巴伦结构如图2.(a)所示,同轴线内芯通过梯形渐变结构馈入天线上半部分的金属板,同轴线的外皮通过椭圆渐变线结构过渡到天线下半部分的金属板馈入端。

  辐射金属面的渐变结构使得TEM喇叭天线口径阻抗平稳过渡到输入端口,本文采用了两种渐变结构不一致的复合结构金属板,使得天线的谐振模式大大增加,从而拓展带宽。同时,根据八木天线原理,渐变缓慢的金属板相对渐变强烈的金属板能提供引向器的作用,同理渐变强烈的金属板相对渐变缓慢的金属板相当于反射器,从而提高TEM喇叭天线的定向性。

  在电磁仿真软件CST对本文的宽带TEM喇叭天线建模,如图2所示,金属板材料设为 PEC,馈电端口为波端口。渐变金属板的轮廓曲线可以由式(2)表示。其中,h表示辐射金属板距离天线中心线的高度,W表示辐射金属板宽度,这两个参数都随天线延伸长度变化而变化。t和t1为辐射金属板向口径面延伸的长度,A、B、C、D、t为渐变缓慢金属板的轮廓曲线参数,A1、B1、C1、D1、t1 为渐变强烈金属板的轮廓曲线参数。本设计中,高度变化曲线表现为指数增长,宽度变化曲线表现为线性增长。为了得到合适的天线阻抗带宽和增益,对天线结构尺寸进行仿真优化,最终得到天线结构的主要参数见表1。

   (2)

  0mm≤t≤200mm,0mm≤t1≤150mm

  表1:

Copyright @ 来客电子网 All Rights Reserved. 版权所有

备案号:粤ICP备23153202-01

本站内容来自于网络,如有侵权,请联系邮箱:cy.forever#gmail.com(#换成@)