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1、第 27卷第 4期遥 测 遥 控Vol. 27, . 4 2006年 7月 Journa l of Telem etry, Track ing, and CommandJuly 2006 一种测距雷达天线的阻抗匹配设计 杨永刚, 何国瑜, 武建华, 许 鼎 (北京航空航天大学电子信息工程学院 北京 100083) 收稿日期: 2005211228 收修改稿日期: 2006202213 摘 要:测距雷达对天线的阻抗匹配性能提出了很高的要求。文中设计一种应用于某测距雷达天线的新型阻抗匹 配结构 。用圆波导介质填充和介质锥过渡的方法来改善天线的匹配性能,对馈电部分进行了计算和优化。仿真和实际 测量数
2、据对比表明,天线设计合理,匹配性能满足工程要求,优于国外产品。 关键词:喇叭天线; 驻波比; HFSS; 仿真优化 中图分类号: TN82 文献标识码: A 文章编号: CN11 - 1780 (2006) 04 - 0039 - 04 引 言 天线是雷达收发模块的重要组成部分,其性能直接影响整个系统的工作特性。在线性调频连续波 ( F MCW )体系中 ,天线收发共用,由于发射波在天线处的反射比回波能量大得多,所以必须使天线在整个 图 1 天线结构示意图 工作频段内的驻波比足够小。本文所述天线发射功率 小 ,我们用同轴探针向圆波导直接馈电。另外 ,天线工 作在重腐蚀的恶劣环境中,为了保护馈电
3、部分,阻隔腐 蚀气体 ,在圆波导中填充了耐腐蚀的介质材料。单一 的介质填充圆波导匹配性能很差,为此 ,采用介质圆柱 加圆锥过渡的方法作为阻抗渐变段来改善匹配,其结 构形式示于图1。通过仿真与优化,完成了设计制造, 其匹配性能达到了预期目标,并超过了国外同类产品。 整机实验表明,设计完全可以满足工作要求。 1 模型结构 在图 1中 ,带有剖面线部分是填充的介质材料。a为圆波导半径, L是探针中心离圆波导末端的距离, 即离短路面的距离 , h是同轴探针插入介质的深度, L1是圆波导长度, L2是圆锥段介质长度, D是天线张角 段的半径 。 这种结构的主要优点是在15% 20%的带宽内有较低的驻波比
4、,且加工和调谐容易实现。 有良好的密封性,便于天线的维护和清洗。 2 驻波分析 喇叭天线的驻波性能与喇叭的输入段、 传输段及喇叭口的反射有关,但主要取决于输入段 1 。 理论分 析指出,当天线处于主模工作时,喇叭口的反射系数|(1-/ g) / (1+/ g)。 式中, g为“ 喇叭 口 (AA 处)的波导波长” 。 如果口面尺寸为1, | 0.10;如果口面的线尺寸大于2,则| 0.02。 工程设计中,我们首先确定天线的辐射性能,当辐射性能设计完成后,喇叭的基本尺寸( a, D, L1)就已经确 定了 。 该喇叭的口面为3,从图 1看到 ,影响天线匹配性能的输入段为BB 面至圆波导馈电端这一
5、段 。 基 于以上的分析,考虑影响V S WR 的关键参量为h, L2和L。 对于这样一种结构没有现成的计算公式,而参考文献2中仅同轴线到圆波导馈电段的特性阻抗解 析式就十分复杂。 我们的思路是在考虑天线辐射性能的前提下,确定出决定驻波的关键尺寸和非关键尺 寸,根据工程经验或者计算确定非关键尺寸,之后对一两个关键尺寸利用软件仿真和优化,最后得到所有 的结果尺寸,完成设计 。 3 圆波导段 圆波导段实现同轴到波导的能量转换,确定探针的位置及伸入长度,使馈电端的能量能全部输入到波 导中 。 同轴线的内导体将和圆波导的壁之间耦合而建立场,探针伸入的长度会极大地改变场的分布,因此 h是关键的参数。 a
6、为圆波导的半径。 此处圆波导的传输主模为TE11,按单模传输的条件,可以确定a的范围,根据经验, 一般选取a =0.35,对介质填充的波导,= 0 r ,其中 0为自由空间中的波长 ,r为介质的介电常数。 模 型中圆波导存在短路面,这时圆波导中两个传播方向相反的行波迭加形成驻波,可以得到场解的表示式。 当z = L处有短路板时,根据驻波条件下圆波导场量表达式可得场结构中 Er= -j w k 2 cr mH - 0Jm u mn a r sinm cosm e jz - e - jz e 2 jL (1) H= jw k 2 crH - 0Jm u mn a r sinm cosm e jz
7、- e - jz e 2jL 1+ e 2jL (2) H - 0, H + 0 分别是沿Z的负向和正向传播常数。 TE波的波阻抗为 ZTE= Er H = w 1 (1+ e 2jL ) = w cos( L) -jsin( L ) 2cos( L) = w 2 -j w 2 tan( L) (3) 上式表明,如果探针位于L = k+/2/ (k = 0,1,2,3)这一位置上,则可以将能量转换到波导中。 取 L=g/4,即四分之一圆波导的波长。 至此,就确定了L的大小 。 3.1 圆锥段 喇叭天线的张角根据辐射性能设计,电磁波在CC 面将产生反射。 加入圆锥介质的目的就是要消除 这种反射,
8、实现对自由空间波阻抗的再次匹配,它起着阻抗渐变线的作用。 一般的阻抗变化线都是指数线, 但由于加工指数线比较困难,因此,实际应用中把介质锥体部分尺寸的曲线变化改为直线式变化,两者在 频率响应曲线上的形状基本相同 3 。 对于阻抗渐变线,当变化趋势越缓时,匹配性能就越好,即锥体长度 L2较大时,V S WR 就较小 。 4 计算过程和仿真结果分析 上面的驻波分析为优化仿真奠定了基础,另外两个参数 (L 2 , h) 将通过仿真来确定。 我们选用An soft 的 HFSS作为仿真工具,它不但可以进行s参量的仿真,而且还可以对给定的参数做优化处理。 本工程使用的天线,其工作频率为5. 8GHz 6
9、. 8GHz,取中心频率6 . 3GHz作为计算频率。 首先,固定 L=g/4(g为圆波导段的波长 )。 在其余两个参量中,按 Lee W ilson 2 计算圆波导馈电的公式,近似取h =0.225(为工作波长 ) , 对L2进行参量化仿真,得示于图2的驻波比随L2的变化曲线 。 分析图2可以看 到,随着L2的增加,驻波比首先有一个明显的减小过程,当尺寸增加到某一个数值后,继续增加L2,驻波比 改善的幅度趋缓,VSWR将稳定在一个小的浮动范围内,这样得到了一个锥体长度比较宽的取值范围。 综 合考虑安装条件等因素之后,可取L2 78mm。 确定L2之后,对h进行优化,给h一个比较宽的变化范围。
10、 仿真得到图3所示的驻波比随h的变化曲线。 从图 3可清楚地看到,驻波比随探针长度变化有一个突变点。 此突变点处,对应的驻波比最小,相应的h值为11.0mm。 圆波导内会产生场的谐振,偏离这一谐振点约 ?04?杨永刚等,一种测距雷达天线的阻抗匹配设计第 27卷第 4期 0.1mm,VSWR就有 0.05以上的变化。 因此,在设计和加工时, h参量的误差保持在0.1mm以内为宜 。 图 2 驻波比随L2的变化 图3 驻波比随h的变化 以上分析完成了在中心频率的设计。 对整个频段内的驻波优化,可以用类似的方法,再选取5.8GHz 和 6. 8GHz两个边频点,对 3个不同频点处的仿真值分配不同的权
11、重。 参考此 3个基本变量在6.3GHz时的 取值,固定L,进行L2, h双参量优化 ,最终全频段驻波比仿真的结果示于图4。 最终的设计参数示于表 1。 图 4 驻波比仿真结果 图5 驻波比测试结果 表 1 天线部分结构参数取值(单位:mm) 参数aL1DLhL2 取值1232.54014.511.578.8 按以上的参数,我们加工了天线,并对它的匹配性 能进行了测试。图 5是实测结果。测试时适当放宽了 频率范围 。点 1和点2之间是实际的工作范围。由于 加工精度和加工工艺等因素的影响,不可能做到与仿 图 6 国外天线驻波比测试结果 真结果完全一致。测试结果显示,除了在两个边频附 近驻波略大外
12、 ,驻波性能满足了频段内低于1 . 3的要 求 。图 6是国外天线驻波的测试结果。从图6可看 到 ,本文设计的天线驻波性能优于国外产品,在低频 段尤为明显。 5 结论 对用于某工程的喇叭天线馈电采用了一种新的 结构形式,确定了需要设计的3个参数,并指出探针 的馈入长度需要作为关键参量精确设计,其误差范围 控制在0 . 1mm以内为宜。在解决匹配问题的过程 中 ,通过分析 ,缩小取值范围,进而利用高频仿真软件HFSS进一步优化设计,分析与仿真优化相结合 ,得 到了满意的结果。 ?14?2006年 7月遥 测 遥 控 参 考 文 献 1 林昌禄.天线工程手册M .北京:电子工业出版社, 2002.
13、 2 Lee W ilson WS and Yung Edward K N.The Input I mpedance of a Coaxial L ine Fed Probe in a CylindricalWaveguide J .IEEE TransM icrowave Theory Tech , August 1994, 42 : 14681473. 3 闫润卿,李英惠.微波技术基础M .北京:北京理工大学出版社, 1997. The Im pedance M atching D esign of a Range F inder An tenna Yang yonggang, He gu
14、oyu, W u jianhua, Xu ding Abstract:The excellentimpedance matching performance is required by range finder radar antenna .In this paper,a novel an2 tenna s matching structure is designed .The filledconic dielectricis used to improve the antenna smatching performance that has been optimized with HFSS
15、.The results of themeasurement indicate that the criteri on of the product can fulfillthe requirements of the project. Key words: Horn antenna; VSWR; HFSS optim ize 作者简介 杨永刚 1974年生 ,北京航空航天大学电磁场与微波专业硕士生,研究方向为雷达测距、 微波天线、 射频电路等。 何国瑜 1938年生 ,北京航空航天大学电磁场与微波专业博士生导师,教授 ,研究方向为电磁散射、 微波天线 、 毫米波组件、 器件等 。 (上接第
16、28页 ) Research on In teger Am b iguity of Carr ier Pha seM easurements in Satellite2to2satellite Relative Autonom ous Rang ing M in Shuqin, M a Hong Abstract:In order to realize real2tim e and high accurate satellite2to2satellite relative autonomous ranging,some key problem such as integer ambiguity
17、 of carrier phase measurements must be fixed.This paper introduces the characteristics of formati on flying s mallsatellites,and then discusses in detail the ambiguityresoluti on using the combinati on of dual2frequency code and phasemeas2 urements.The method for reducing the error of integer ambigu
18、ityis discussed.The result of computer simulation proves that this am2 biguity res oluti on method using in satellite2to2satellite relative autonomous ranging is feasible and reliable,and the error of code is themain obstacle. Key words:Satellite2to2satellite relative ranging; Ambiguity; Phasemeasur
19、ements error 作者简介 闵淑琴 1975年生 ,装备指挥技术学院讲师,大学本科,从事航天器无线电遥测、 测控等方面的研究。 马 宏 1976年生 ,装备指挥技术学院讲师,博士 ,主要从事航天器空间状态测量、 高速信号处理、 雷 达信号处理等方面的研究。 ?24?杨永刚等,一种测距雷达天线的阻抗匹配设计第 27卷第 4期 专注于微波、射频、天线设计人才的培养 易迪拓 培训 网址： http:/ 射 频 和 天 线 设 计 培 训 课 程 推 荐 易迪拓培训 ()由数名来自于研发第一线的资深工程师发起成立，致力并专注于微 波、射频、天线设计研发人才的培养；我们于2006 年整合合并微波
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