第28卷第4期 2007年4月 哈尔滨工程大学学报 V01.28№.4 Apr.2007 Journal of Harbin Engineering University 有限偶极子天线阵的特性研究 杨莘元,廖艳苹,马惠珠,侯艳丽 (哈尔滨工程大学信息与通信工程学院,黑龙江哈尔滨150001) 摘要:天线阵列的特性决定其应用范围,了解天线特性可以有效地利用其优点传输能量.针对偶极子天线阵,分析 了阵元互耦影响和频率特性及其散射特性.主要包括在应用实践和开路电压相结合的方法计算阵列单元互耦的影 响的情况下,应用矩量法分析了终端负载,散射场和反射系数随着频率变化的特性曲线,最后给出了阵列大小和入 射角度的变化对散射方向图的影响.结果表明,对于半波长的偶极子阵列,当阵元问距为半波长时性能达到最佳. 关键词:有限阵列;互耦影响;频率特性;散射图样 中图分类号:TN82文献标识码:A 文章编号:1006.7043(2004)4-00452-04 Research on characteristics of finite dipole arrays YANG Shen—yuan,LIAO Yan—ping,MA Hui—zhu,HOU Yan—li (College of Information and Communication Engineering,Harbin Engineering University,Harbin 1 50001,China) Abstract:Characteristics of an antenna determine its application,SO understanding its characteristics is necessary before it can be used to transmit energy effectively.A precise analysis of the characteristics and scattering pattern of a finite dipole array is presented in this paper.These characteristics are studied through physical analysis as well as detailed computer simulations.The research featured compensation for the mutual coupling effect between the array elements,frequency characteristics,and the scattering pattern of the array.Compensation for the mutual coupling effect considerably eliminates it from consideration.Furthermore,terminal loads,scattered power,and reflection coeficient as a function of ffrequency are discussed in detail.Finally,the effects of varied array sizes and incident angles on scattering patterns are analyzed.The results indicate that a half—wave dipole array has good performance when array element space is also half—wave. Keywords:finite dipole array;mutual coupling;frequency characteristics;scattering pattern 有限偶极子阵列天线的很多特性在微波和光学 系统中有着极其广泛的应用,其散射场的分析对于 阵列天线的隐身设计和频率选择表面的设计具有重 要的作用,因此一直以来,偶极子天线的特性研究一 直是人们关注的热点.但是这些研究¨。 是在忽略 阵列模型及互耦抵消 1.1阵列模型 有限偶极子阵列天线模型如图1所示,这个天 线阵列的每个阵列单元长为f=0.5A,半径n《A,A 为有效波长.该阵列的阵列单元平行于z轴放置,并 且沿着 轴以间距W=0.5A放置所有的阵列单元 由中心处连接终端负载z 了阵列单元之间的互耦影响的情况下对阵列进行讨 论的.针对这一情况,采用实践方法 和开路电压 法 相结合的方法计算阵元之间的互耦影响.在此 过程中,引入矩量法对偶极子阵列天线的频率特性 和散射图样进行了分析和仿真,分别得到了阻抗、散 射功率和反射损耗随着频率变化的曲线,最后根据 不同的阵列大小和入射角度对阵列的散射图样进行 了讨论. 收稿13期:2005—11—30. 作者简介:杨莘元(1944一),男,教授,博士生导师,E-mail:yangsheny— uan@hrbeu.edu.cn. 图1有限偶极阵列模型 Fig.1 Finite dipole array model 维普资讯 http://www.cqvip.com
第4期 杨莘元,等:有限偶极子天线阵的特性研究 这个阵列可以被看成是一个多端口网络.所有阵 列单元的电压和电流的关系可以由输入阻抗表示: Zl1 Zl2 。 性.仿真时,天线阵元数为2,阵元长度和阵元间隔 为0.5个载波波长(载波波长A=4 Il1),入射电磁波的 最低频率选取. =20 MHz,最高选取 =600 MHz. 仿真过程中人射电磁波的频率以5 MHz的步长从 20 MHz增加至U 600 MHz. 2.1 终端负载及散射值关于频率的函数 Zl 、Ijr,2l Z 八, Z l Z 2 l= 式(1)中,每一列对应一个阵列单元,其中 (i= ) 表示自阻抗;z (i )表示第 个阵列单元对第i个 根据上一节终端矩阵的计算以及互耦计算的方 法绘出终端负载和散射值关于频率变化的函数曲线 阵列单元的互耦影响. 1.2互耦计算 众所周知,阵列单元之间的互耦主要来自于非 对角线上的元素z (i )的影响,这样如果得到了 z (i ),那么互耦也就已知.以其他阵列单元对第 i个阵列单元的互耦影响为例分析,重新写式(1)中 的第i行数据为 =Z“It+zilJl+…+zi(f一1)J( 一1)+…+zi, . (2) 在式(2)中主要包括3个部分.其中有2个激励电 源:第1个是由入射波的电磁场对第i个阵列单元 产生的电压值 ,这个值用来计算阵列阻抗,因此 它是有用的;第2个电压值是由其他的阵列单元辐 射的电磁波对第i个阵列元素产生的,也就是式(2) 中的zilJ1+…+zf(1_lj,“川+…+z .这个值是 阵列单元之间互耦影响的体现,因此它是要被消除 的.由叠加原理可知,这2个激励源对第i个阵列元 素的影响是独立的,因此如果第i个阵元以外的电 流已知,就可以获得没有互耦影响的阻抗. 从上面的讨论和式子中可知,如果根据测量得 到阵列终端的负载电压,然后应用这个电压值逐个 的激励每个阵列元素,就可以获得没有互耦影响的 阻抗矩阵中的每个元素的值.例如,应用已经测量的 电压值激励第一个阵列单元,这时其他的阵列单元 被短路(就是没有电压源激励或者是激励为零)就 可以应用矩量法获得第1组电流值,将这组电流值 和电压值代人式(1),那么z矩阵的每一列的元素 值就可以得到.重复上述步骤,z矩阵的所有元素值 均可以得到.应用这种方法可以有效地计算偶极子 阵列天线的自阻抗和互阻抗,以及有效的消除阵列 单元之问的互耦. 2 频率特性 应用计算机仿真来研究阵列的频率特性,主要 包括:终端负载、散射值和反射系数随频率变化的特 如图2(a)和(b)所示. (a)终端负载 (b)散射功率 图2终端负载和散射功率频率变化特性 Fig.2 Terminal load and magnitude of scattered ifeld versus incident frequency 从图2(a)中可以看出:在某一个频率范围内, 作为中央馈电_6 的阵列单元的终端负载是纯阻抗 性的,这个频率范围被称为谐振长度.在这个谐振长 度范围内偶极子阵列可以达到很好的性能,这一点 可以从天线阵关于频率的函数曲线图2(b)中看出: 当阵列单元的终端阻抗显示为纯阻性或者是电抗在 零值附近时(这时电抗值可以被忽略),阵列的散射 值有很大的峰值,因此只要阵列被理想电压值激励 时,阵列在谐振频率范围内就可以成为最有效的散 射体. 2.2反射损耗关于频率的函数 将图2(a)和(b)进行对照:当终端电阻呈现纯 阻抗性时,散射值将分别达到最大值.然而这个最大 维普资讯 http://www.cqvip.com
・454・ 哈尔滨工程大学学报 第28卷 值在理论上会随着阵列单元的匹配特性而改变.因 此在考虑是否完全匹配而使阵列特性达到最佳效果 时,要引入2个重要的参数:其中一个是反射参数 厂,公式如下所示: 厂= . ㈩ 射特性曲线. E(r)=4r仃/((M—m) ik+C]+2Mc)e r,(5) M: r。 , (6) (r)= ((m×r)Ce , (7) 式中:z,是阵列天线的负载阻抗,z。是传输线阻 抗.反射系数描述的是传输线的反射特性,它是反射 波电压(或电流)与入射波电压(或电流)的比值,波 c: [1+ (8) 式中:E和 是由入射电磁波激励阵列产生的散射 的反射是传输线工作的基本物理现象,反射系数不 仅有明确的物理概念,而且可以测定,所以被广泛的 应用.仿真和实践中,z。通常取50 n.另一个要介 绍的参数就是天线的反射损耗 .反射损耗是在反 射系数的基础上定义的,它是反射系数取对数成dB 的形式: R =201g I厂I. (4) 从式(4)中可以看出:反射损耗是可以取成负值的, 反射系数和反射损耗是表示阻抗匹配的重要参数, 它们描述了天线辐射和散射功率的能力.反射损耗 越小,能力越强;反之也成立.这个结果可以从图2 (b)和图3中看出:2(b)中的散射最大值对应了图 3中的反射损耗最小值,与理论一致. 图3 反射损耗频率变化特性 Fig.3 Reflection coefficient versHs incident frequency 从这节的分析和讨论中可知:偶极子天线阵可 以被看成是典型的谐振天线.偶极子天线阵的终端 负载,散射功率和反射损耗有很密切的关系,随着入 射电磁波频率的变化,在谐振频段内,终端负载有很 强的震荡,当终端负载为实数值(纯阻抗性)时,反 射损耗有最小值,而散射功率有最大值. 3 阵列的散射特性 3.1散射积分方程 式(5)~(8)给出了计算偶极子天线阵的电场 积分方程.具体推导过程见参考文献[9],在文献 [9]中是用辐射特性的计算.文中将用人射电磁波 来替代中央馈电的电压源激励阵列,就可以得出散 电场和磁场,r=I rI,表示场强点与阵列之间的距 离;r/= 是自由空问阻抗, 和 分别是自由空 问的磁导率和介电常数;k= , 是入射电磁 波的频率;m是偶极矩,它是偶极子电流和偶极子 长度的乘积,它可由第m个阵列单元的表面电流的 积分方程获得,具体公式为 m=JJ, (r)dr=lm, (rcm-一r ).(9) + 式中:C是指矩量法中RWG基函数 的每个三角形 的中点,, 是指电流系数, (r)为基函数.由偶极 矩m可以推导出任意偶极子天线阵产生的电磁场 公式如式(5)一(9)所示,它们对远场和近场均可以 计算. 3.2计算结果与比较 .仿真中,入射电磁波频率为75 MHz,阵元长度 和阵元间隔为0.5个载波波长为2 m,入射方向与z 轴的夹角为0,与 轴夹角为90。垂直入射,计算散 射场的距离为r=100 m.通过改变偶极子天线阵阵 元数和入射电磁波的入射角度,来获得不同的散射 图样.图4(a)和(b)为2种不同的入射角电磁波产 生的散射图样。图4(a)入射角度0=45。,图4(b) 入射角度0=30。.而图4(a)和(c)是保持入射角度 0=45。不变,而偶极子天线阵阵元个数由8个增加 到16个的散射图样. 270 (a)入射角度为45。,阵列元素为8个 维普资讯 http://www.cqvip.com
第4期 杨莘元,等:有限偶极子天线阵的特性研究 ・455・ 0 0 270 (b)入射角度为30。,阵列元素为8个 O 0 270 (C)入射角度为45。,阵列元素为16个 图4不同阵元数、入射角的散射特性 Fig.4 Scattering characteristic of different array elements and incident angles 从图4可以看出:阵列大小和入射电磁波的入 射角度均会影响天线阵的散射方向图.从图(a)和 (b)中可以看出:图(a)的散射场最大方向位于 135。和235。处,图(b)的散射场最大方向位于145。 和225。处.然而,随着入射角度从45。到30。,同一阵 列产生的散射场变大了,散射场最大值由3.87 V/m 变到4.48 V/m.总体上看:入射角度为30。的电磁波 对天线阵的散射值影响要大于入射角度为45。时的 情况,因此可以得出结论:入射电磁波的入射角度越 小,得到的散射方向图的最大值越大. 图4(a)和(c)是保持入射角度为45。,而阵列 大小由8个变到16个来进行仿真讨论.从图4(a) 和(c)可以看出:在入射角度不变的情况下,散射图 样的最大方向也不会变化,但是最大值和阵列散射 场方向图有明显的不同,最大值由3.87 V/m增加 到了7.74 V/m,8个单元时散射方向图在180。附近 没有副瓣,副瓣的个数也相对比16个单元的少,并 且宽些.因此可以得出结论:阵列元素越多,散射场 最大值越大. 总之,入射角度和阵列的大小的改变以不同的 方式影响阵列的散射方向图.其中,入射角的改变会 影响散射方向图的最大方向的指向,而且随着入射 角度的增加,散射场的最大值变小;阵列的大小会影 响旁瓣的个数,但是不会影响最大方向,而且随着阵 列元素增加,阵列的散射场最大值也变大. 4 结束语 有限偶极子天线阵的特性具有广泛的应用,但 阵列单元之间的互耦作用对该特性的研究有很大的 影响,文中在考虑了阵元之间互耦的情况下对有限 偶极子天线阵的频率特性和散射特性进行了讨论分 析和仿真.结果证明在考虑阵元间互耦的情况下,偶 极子阵列的频率特性和散射特性也得到很好的效 果. 参考文献: [1]JOSEFSSON L.Radiation and scattering tradeoff design for conformal arrays[J].IEEE Trans Antennas Propagat,2003 (51):1069—1076. [2]ISHIMARU A.Optimum scatteirng from an array of half- wave dipoles[J].IEEE Trans Antennas Propagat,1 970 (18):224—230. [3]LU Caicheng,CHEW Wengcho.Electromagnetic scattering of finite stirp array on a dielectric slab[J].IEEE Transac— tionson on Micro Theory and Techniques,1993(41):97— 100. [4]YUAN H,HIRASAWA K,ZHANG Y.The mutual con— pling and diffraction effects on the performance of a CMA a— daptive aray[J].IEEE Trans Veh Technol,1998(47): 728—736. [5]YUAN Ksienski.Effect of mutual coupling on the perform— ance of adaptive arrays[J].IEEE Trans Veh Technol,1 983 (31):785—791. [6]夏冬玉,张厚.馈电点不同时细线偶极子天线的分析 [J].无线电通信技术,2005,31(2):6—7. XIA Dongyu,ZHANG Hou.Analysis of dipole array anten— Ha with diferent feed point[J].Radio Communications Technology,2005,31(2):6—7. [7]SEMBIAM R.Choice of basis functions for accurate charac— terization of infinite array of microstrip reflectarray elements [J].IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, 2005(4):47—50. [8]MAKAROV Sergey.Mom antenna simulations with Matlab: RWG basis functions[J].IEEE Trans Antennas Propagat, 2001(43):100—107. [责任编辑:郑可为]
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