超寬帶脈沖天線的補(bǔ)償技術(shù)研究

邵呂霞 郭輝萍 劉學(xué)觀

(1.中航工業(yè)蘇州長風(fēng)航空電子有限公司, 蘇州 215151;2. 蘇州大學(xué)電子信息學(xué)院, 蘇州 215021)

超寬帶脈沖天線的補(bǔ)償技術(shù)研究

邵呂霞1郭輝萍2劉學(xué)觀2

(1.中航工業(yè)蘇州長風(fēng)航空電子有限公司, 蘇州 215151;2. 蘇州大學(xué)電子信息學(xué)院, 蘇州 215021)

針對(duì)超寬帶通信系統(tǒng)中脈沖信號(hào)傳輸保真度的問題,分析了保真度與脈沖天線的相頻特性、增益-頻率特性的關(guān)系,提出通過調(diào)整天線的增益特性來對(duì)信號(hào)在自由空間產(chǎn)生的傳輸損耗進(jìn)行平衡補(bǔ)償?shù)募夹g(shù). 通過對(duì)一款高保真印刷半錐形單極天線 (Half-Printed Tapered Monopole Antenna, Half-PTMA)增益-頻率特性的仿真分析,以及將此補(bǔ)償技術(shù)應(yīng)用到一款超寬帶平面單極天線的設(shè)計(jì)改進(jìn),改進(jìn)后保真度提高了5%,驗(yàn)證了文中補(bǔ)償技術(shù)的有效性,為超寬帶脈沖天線的高保真設(shè)計(jì)提供了有價(jià)值的設(shè)計(jì)依據(jù).

超寬帶天線;脈沖;保真度;增益;傳輸損耗

引 言

近年來,超寬帶無線電技術(shù)已取得了突破性進(jìn)步. 相對(duì)于傳統(tǒng)窄帶無線通信而言,超寬帶無線通信系統(tǒng)具有空間容量大、測(cè)距精度高、保密性好、多徑分辨能力強(qiáng)并具有與現(xiàn)有窄帶通信系統(tǒng)共存、低功耗、低成本、小體積等諸多優(yōu)點(diǎn). 如圖1所示,基于窄脈沖實(shí)現(xiàn)的超寬帶通信系統(tǒng)的典型脈沖時(shí)域?qū)挾葹榧{秒級(jí),有很寬的瞬時(shí)帶寬. 傳統(tǒng)無線通信系統(tǒng)中窄帶天線的電參數(shù)是在系統(tǒng)中心頻率獲得的頻域參數(shù),但在更大的工作頻率范圍內(nèi),這些參數(shù)將隨頻率發(fā)生變化,超寬帶的頻域電參數(shù)已不足以反映超寬帶天線的性能,迫切需要分析超寬帶天線的時(shí)域性能. 其中超寬帶天線脈沖時(shí)域波形的保真度逐漸成為超寬帶天線時(shí)域性能的研究熱點(diǎn). 天線的脈沖時(shí)域波形保真能力與天線的增益、方向性、有效長度、輸入阻抗以及極化特性等諸多電參數(shù)都有關(guān)系,因此超寬帶高保真天線的設(shè)計(jì)[1-5]是一個(gè)具有挑戰(zhàn)性的課題.

文獻(xiàn)[6]選取衡量天線保真能力的參數(shù)平均有效相干能量增益(Mean Effective Correlated Energy Gain, MECG) 作為適應(yīng)度函數(shù),基于遺傳算法,優(yōu)化后的MECG仿真值和實(shí)測(cè)值分別提高0.157和0.161,獲得了脈沖保真度較高的天線結(jié)構(gòu)尺寸. 這種引用遺傳算法的純仿真設(shè)計(jì)方法雖然可以全自動(dòng)獲得高保真的天線結(jié)構(gòu),但是沒有給出天線的高保真輻射機(jī)理分析,缺乏了超寬帶天線高保真設(shè)計(jì)方法的普遍指導(dǎo)意義. 文獻(xiàn)[7]通過Monte-Carlo仿真模擬了天線增益與群延時(shí)對(duì)脈沖保真度(fidelity)和脈沖展寬比(pulse width stretch ratio)的影響,得出天線群延時(shí)變化越小、增益越穩(wěn)定,脈沖信號(hào)失真越小的分析結(jié)論[8-9]. 但這個(gè)結(jié)論僅是基于天線自身的角度來考慮脈沖波形保真度的問題,而脈沖信號(hào)除了經(jīng)過保真度較差的超寬帶天線會(huì)產(chǎn)生失真,經(jīng)過自由空間也會(huì)產(chǎn)生傳輸損耗,迫使接收機(jī)及其后續(xù)系統(tǒng)必須對(duì)其采取必要的補(bǔ)償措施來糾正這些失真,增加了整個(gè)系統(tǒng)的額外負(fù)擔(dān).

因此,本文將從圖1所示的超寬帶無線通信系統(tǒng)整體的角度去研究超寬帶高保真天線的設(shè)計(jì)方法,利用天線的參數(shù)設(shè)計(jì)來補(bǔ)償自由空間中固有的傳輸失真,從而減輕接收機(jī)及其后續(xù)系統(tǒng)的負(fù)擔(dān).

圖1 超寬帶無線通信系統(tǒng)

1 補(bǔ)償原理

信號(hào)從發(fā)射到接收會(huì)產(chǎn)生幅度失真和相位失真.通常,自由空間可近似視為無色散媒質(zhì),即信號(hào)在自由空間傳輸時(shí)不會(huì)產(chǎn)生相位失真.若不考慮多徑效應(yīng),信號(hào)的相位失真由天線的群延時(shí)決定,當(dāng)群延時(shí)隨頻率變化的曲線是一條水平直線或接近直線時(shí),認(rèn)為沒有相位失真或相位失真很小.

根據(jù)弗瑞斯傳輸公式,信號(hào)在自由空間(包含收發(fā)天線)的傳輸損耗為

Lbf= 32.45+20lgf(MHz)+20lgr(km)-

GTX-Antenna(dB)-GRX-Antenna(dB).

(1)

式中:r為電磁波在自由空間的傳輸距離；GTX-Antenna(dB)和GRX-Antenna(dB)分別是發(fā)射和接收天線的增益. 若不考慮天線和傳輸距離的影響,信號(hào)的傳輸損耗隨頻率的增大以對(duì)數(shù)規(guī)律增長,使得信號(hào)各頻率分量的幅度產(chǎn)生不同程度的衰減,造成幅度失真.

如圖2所示,消除上述幅度失真的補(bǔ)償技術(shù)即是:將超寬帶天線的增益設(shè)計(jì)成隨頻率以對(duì)數(shù)增長,以此補(bǔ)償傳輸損耗Lbf中20lgf(MHz)項(xiàng)引起的幅度失真,即信號(hào)在通過自由空間和天線后,每個(gè)頻率分量被損耗得一樣多,從而盡可能地實(shí)現(xiàn)無失真通信.

圖2 補(bǔ)償原理圖

2 補(bǔ)償技術(shù)驗(yàn)證及應(yīng)用

2.1 評(píng)價(jià)方法

超寬帶信號(hào)經(jīng)天線輻射、傳輸、接收過程中總會(huì)存在一定程度的畸變,信號(hào)的畸變主要表現(xiàn)在它的拖尾現(xiàn)象,拖尾現(xiàn)象越不明顯,說明脈沖信號(hào)的保真度越高. 為了得到較好的通信效果,工程上總是希望這種畸變?cè)叫≡胶?即脈沖信號(hào)的保真度越高越好. 如圖1所示,發(fā)射信號(hào)St(t)和接收信號(hào)Sr(t,φ,θ)的保真度定義[10]為

(2)

式中: (φ,θ)代表球坐標(biāo)系中信號(hào)的某個(gè)接收方向;τ為時(shí)間延遲參數(shù). 通過選擇合適的τ值,可以使式(2)收發(fā)信號(hào)的相關(guān)系數(shù)取得最大值即為保真度值， 保真度的取值范圍為0到1,其值越大說明保真性越好,當(dāng)值為1時(shí),說明信號(hào)傳輸過程中無失真.

2.2 補(bǔ)償技術(shù)驗(yàn)證

為驗(yàn)證本文補(bǔ)償技術(shù)的正確性,依據(jù)文獻(xiàn)[10]中Half-PTMA的設(shè)計(jì)尺寸在全波電磁仿真軟件CSTMicrowave中進(jìn)行建模仿真. 根據(jù)公式(2)使用Matlab對(duì)脈沖激勵(lì)波形和天線遠(yuǎn)場(chǎng)探針(理想點(diǎn)源接收天線)接收波形進(jìn)行保真度計(jì)算. 仿真的回波損耗、方向圖、增益以及保真度計(jì)算值與文獻(xiàn)[10]基本一致,因篇幅所限,本文不予詳述. 下文詳細(xì)分析此天線的增益-頻率特性與保真度之間的關(guān)系.

本文仿真得到的Half-PTMA天線回波損耗低于-10dB的頻帶范圍是3.3～15GHz; 群延時(shí)波動(dòng)范圍是0～0.47ns,在整個(gè)頻帶上可視為恒定值,由此產(chǎn)生的相位失真很小,可忽略不計(jì).

高斯激勵(lì)脈沖幅度譜如圖3所示,脈沖信號(hào)能量在0.3以上的處于中頻段5～14GHz,因此保真度的幅度失真主要由天線中頻段的增益-頻率特性曲線決定,低頻段和高頻段的增益只要不過分偏離中頻段增益就不會(huì)明顯影響信號(hào)的保真效果.

圖3 高斯脈沖激勵(lì)幅度譜

選取Half-PTMA天線具有較高保真度(0.95以上)的遠(yuǎn)場(chǎng)探針作為研究對(duì)象,分別為探針1、探針2、探針3,三個(gè)探針接收波形的保真度分別為0.962、0.966、0.975. 將這三個(gè)探針?biāo)诜轿坏奶炀€中頻增益與對(duì)數(shù)曲線y=a-b*lg(x+c)進(jìn)行擬合,擬合相似度分別為0.993 3、0.996 0、0.989 99,如圖4所示. 圖4所示的高擬合相似度與本文提出的補(bǔ)償技術(shù)理論相吻合.

2.3 超寬帶平面單極天線高保真設(shè)計(jì)

本節(jié)將闡述一款超寬帶平面單級(jí)天線的高保真設(shè)計(jì)改進(jìn),改進(jìn)依據(jù)即為上文提出的補(bǔ)償技術(shù). 改進(jìn)前的天線設(shè)計(jì)已在文獻(xiàn)[11]中完成,其不足之處是保真度較低,不能達(dá)到0.9以上.

觀察文獻(xiàn)[11]中圖13所示的增益曲線(方向:天線所在面的右上仰角或者左上仰角60°)出現(xiàn)中頻下凹現(xiàn)象. 根據(jù)本文的補(bǔ)償原理可知,中頻下凹的增益特性不能實(shí)現(xiàn)信號(hào)的高保真通信. 中頻增益降低的原因分析如下:圖5是天線的面電流分布,電流A和電流B的x分量方向相反,輻射場(chǎng)相互抵消,導(dǎo)致增益降低.

(a) 探針1的增益曲線擬合

(b) 探針2的增益曲線擬合

(c) 探針3的增益曲線擬合圖4 增益-頻率特性曲線擬合

圖5 超寬帶平面單極天線電流分布

圖6 超寬帶半平面單極天線正反面實(shí)物圖

(a) E面

(b) H面圖7 超寬帶半平面單極天線方向圖

借鑒文獻(xiàn)[10]的設(shè)計(jì)方法,將天線對(duì)稱切半,得到一款超寬帶半平面單極天線,實(shí)物如圖6所示. 切半后的天線E面和H面輻射方向圖如圖7所示. 切半前后天線所在面左上仰角60°方向的增益變化如圖8所示:文獻(xiàn)[11]中圖13的增益曲線不再出現(xiàn)中頻下凹現(xiàn)象,而是改變?yōu)殡S頻率的增大趨近對(duì)數(shù)規(guī)律上升,基本達(dá)到本文提出的增益補(bǔ)償需求.

將遠(yuǎn)場(chǎng)探針設(shè)置在天線所在面左上仰角60°方向,切半前后天線的激勵(lì)脈沖(700 MHz～11.5 GHz)和遠(yuǎn)場(chǎng)探針接收脈沖的時(shí)域仿真波形如圖9所示. 切半后的天線遠(yuǎn)場(chǎng)探針接收到的信號(hào)拖尾現(xiàn)象得到改善,保真度較切半前由0.86提高至0.91.

由圖9可知,雖然天線的增益經(jīng)過設(shè)計(jì)改進(jìn)后,脈沖信號(hào)的保真度能夠達(dá)到0.90以上,但是還沒有達(dá)到0.95以上. 原因分析如下:如圖10所示,天線在2 GHz以下和10.6 GHz以上的群延時(shí)較大,即脈沖信號(hào)的低頻段和高頻段經(jīng)過天線后發(fā)生了較大的相位失真. 將高斯激勵(lì)脈沖的帶寬由700 MHz～11.5 GHz調(diào)整為2～10.6 GHz. 保真度仿真值提高到0.96.

利用頻譜分析儀搭建脈沖時(shí)域發(fā)射接收的測(cè)試平臺(tái)[12]. 切半后該一對(duì)天線的脈沖(2～10.6 GHz)發(fā)射St(t)和接收Sr(t)時(shí)域測(cè)量波形如圖11所示,保真度測(cè)量值達(dá)到0.85.

切半前后超寬帶平面和半平面單極天線保真度的仿真值和測(cè)量值如表1所示．

圖8 超寬帶平面及半平面單極天線增益

圖9 超寬帶平面與半平面單極天線時(shí)域仿真特性

圖10 超寬帶半平面單極天線群延時(shí)

(a) 實(shí)測(cè)發(fā)射脈沖信號(hào)

(b) 實(shí)測(cè)接收脈沖信號(hào)圖11 周期23 ns的超寬帶半平面單極天線 收發(fā)系統(tǒng)實(shí)測(cè)發(fā)射和接收信號(hào)

天線/脈沖帶寬仿真值測(cè)量值超寬帶平面單極天線/700MHz～11.5GHz0.860.78超寬帶半平面單極天線/700MHz～11.5GHz0.910.82超寬帶半平面單極天線/2～10.6GHz0.960.85

將本文切半后的超寬帶半平面單極天線(2 ～10.6 GHz)的保真度與文獻(xiàn)[10]中Half-PTMA天線(3.1～10.6 GHz)的保真度相比,如圖12所示. 在0°～40°方向上,Half-PTMA天線保真度高于本文的超寬帶半平面單極天線,而在140°～180°方向上,本文的超寬帶半平面單極天線保真度高于Half-PTMA天線,其他方向上兩款天線趨于相等.

圖12 超寬帶半平面單極天線與文獻(xiàn)[10] Half-PTMA天線保真度對(duì)比

3 結(jié) 論

本文重點(diǎn)研究了信號(hào)經(jīng)過天線和自由空間傳播過程中幅度失真的影響因素,主要包括天線增益-頻率特性和自由空間的傳播損耗,提出了信號(hào)在自由空間中幅度失真的補(bǔ)償技術(shù),即:將天線的增益-頻率設(shè)計(jì)成以對(duì)數(shù)規(guī)律變化,以此補(bǔ)償信號(hào)在自由空間傳輸過程中產(chǎn)生的隨頻率對(duì)數(shù)增長的傳輸損耗而引起的幅度失真.

為驗(yàn)證本文提出的補(bǔ)償技術(shù),對(duì)Half-PTMA單極天線的高保真特性進(jìn)行仿真分析,獲得了該天線增益-頻率特性曲線與對(duì)數(shù)曲線的高擬合度; 依據(jù)本文的補(bǔ)償技術(shù)原理,對(duì)一款超寬帶平面單極天線進(jìn)行高保真設(shè)計(jì)改進(jìn),通過將該天線對(duì)稱切半獲得了符合補(bǔ)償原理的增益-頻率特性,從而使得該天線收發(fā)脈沖信號(hào)的保真能力提高了5%,成功將本文提出的補(bǔ)償技術(shù)應(yīng)用到超寬帶高保真天線的設(shè)計(jì).

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A compensation technique of UWB pulse antennas

SHAO Lüxia1GUO Huiping2LIU Xueguan2

(1.SuzhouChangfengAvionicsCo.Ltd,Suzhou215151,China;2.SchoolofElectronicInformationEngineering,SoochowUniversity,Suzhou215021,China)

The relationship between fidelity of pulse signals and phase-frequency and gain-frequency characteristics of ultra-wideband antennas is studied, and a technique to compensate for the transmission loss in free space via the design of antenna gain is proposed. The simulation of a high-fidelity ultra-wideband printed tapered monopole antenna(PTMA) gain and the compensation technology in the application of an ultra-wideband planar monopoly antenna fidelity with 5% improvement has verified the compensation technique, which is valuable to the design of high-fidelity ultra-wideband pulse antennas.

ultra-wideband antenna; pulse; fidelity; gain; transmission loss

10.13443/j.cjors.2016061701

2016-06-17

TN822.8

A

1005-0388(2016)06-1159-06

邵呂霞 (1985-),女,江蘇人,碩士研究生,現(xiàn)為中航工業(yè)雷達(dá)與電子設(shè)備研究院工程師,主要研究方向?yàn)殡姶偶嫒莘抡媾c測(cè)試技術(shù).

郭輝萍 (1964-),女,山東人,蘇州大學(xué)電子信息學(xué)院副教授,主要從事電磁理論及應(yīng)用,微波與天線技術(shù)教學(xué)、科研工作.

劉學(xué)觀 (1965-),男,江蘇人,蘇州大學(xué)電子信息學(xué)院教授,博士,中國通信學(xué)會(huì)電磁兼容專業(yè)委員會(huì)委員,主要從事電磁散射、電磁兼容、射頻與微波工程及無線通信教學(xué)、科研工作.

邵呂霞, 郭輝萍, 劉學(xué)觀. 超寬帶脈沖天線的補(bǔ)償技術(shù)研究[J]. 電波科學(xué)學(xué)報(bào),2016,31(6):1159-1164.

SHAO L X, GUO H P, LIU X G. A compensation technique of UWB pulse antennas[J]. Chinese journal of radio science,2016,31(6):1159-1164. (in Chinese). DOI: 10.13443/j.cjors.2016061701

聯(lián)系人： 邵呂霞 E-mail: shaolvxia1985@126.com

DOI 10.13443/j.cjors.2016061701