超寬帶脈沖天線的補償技術研究

邵呂霞 郭輝萍 劉學觀

(1.中航工業蘇州長風航空電子有限公司, 蘇州 215151;2. 蘇州大學電子信息學院, 蘇州 215021)

超寬帶脈沖天線的補償技術研究

邵呂霞1郭輝萍2劉學觀2

(1.中航工業蘇州長風航空電子有限公司, 蘇州 215151;2. 蘇州大學電子信息學院, 蘇州 215021)

針對超寬帶通信系統中脈沖信號傳輸保真度的問題,分析了保真度與脈沖天線的相頻特性、增益-頻率特性的關系,提出通過調整天線的增益特性來對信號在自由空間產生的傳輸損耗進行平衡補償的技術. 通過對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,以及將此補償技術應用到一款超寬帶平面單極天線的設計改進,改進后保真度提高了5%,驗證了文中補償技術的有效性,為超寬帶脈沖天線的高保真設計提供了有價值的設計依據.

超寬帶天線;脈沖;保真度;增益;傳輸損耗

引 言

近年來,超寬帶無線電技術已取得了突破性進步. 相對于傳統窄帶無線通信而言,超寬帶無線通信系統具有空間容量大、測距精度高、保密性好、多徑分辨能力強并具有與現有窄帶通信系統共存、低功耗、低成本、小體積等諸多優點. 如圖1所示,基于窄脈沖實現的超寬帶通信系統的典型脈沖時域寬度為納秒級,有很寬的瞬時帶寬. 傳統無線通信系統中窄帶天線的電參數是在系統中心頻率獲得的頻域參數,但在更大的工作頻率范圍內,這些參數將隨頻率發生變化,超寬帶的頻域電參數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域性能. 其中超寬帶天線脈沖時域波形的保真度逐漸成為超寬帶天線時域性能的研究熱點. 天線的脈沖時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都有關系,因此超寬帶高保真天線的設計[1-5]是一個具有挑戰性的課題.

文獻[6]選取衡量天線保真能力的參數平均有效相干能量增益(Mean Effective Correlated Energy Gain, MECG) 作為適應度函數,基于遺傳算法,優化后的MECG仿真值和實測值分別提高0.157和0.161,獲得了脈沖保真度較高的天線結構尺寸. 這種引用遺傳算法的純仿真設計方法雖然可以全自動獲得高保真的天線結構,但是沒有給出天線的高保真輻射機理分析,缺乏了超寬帶天線高保真設計方法的普遍指導意義. 文獻[7]通過Monte-Carlo仿真模擬了天線增益與群延時對脈沖保真度(fidelity)和脈沖展寬比(pulse width stretch ratio)的影響,得出天線群延時變化越小、增益越穩定,脈沖信號失真越小的分析結論[8-9]. 但這個結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,而脈沖信號除了經過保真度較差的超寬帶天線會產生失真,經過自由空間也會產生傳輸損耗,迫使接收機及其后續系統必須對其采取必要的補償措施來糾正這些失真,增加了整個系統的額外負擔.

因此,本文將從圖1所示的超寬帶無線通信系統整體的角度去研究超寬帶高保真天線的設計方法,利用天線的參數設計來補償自由空間中固有的傳輸失真,從而減輕接收機及其后續系統的負擔.

圖1 超寬帶無線通信系統

1 補償原理

信號從發射到接收會產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,即信號在自由空間傳輸時不會產生相位失真.若不考慮多徑效應,信號的相位失真由天線的群延時決定,當群延時隨頻率變化的曲線是一條水平直線或接近直線時,認為沒有相位失真或相位失真很小.

根據弗瑞斯傳輸公式,信號在自由空間(包含收發天線)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,信號的傳輸損耗隨頻率的增大以對數規律增長,使得信號各頻率分量的幅度產生不同程度的衰減,造成幅度失真.

如圖2所示,消除上述幅度失真的補償技術即是:將超寬帶天線的增益設計成隨頻率以對數增長,以此補償傳輸損耗Lbf中20lgf(MHz)項引起的幅度失真,即信號在通過自由空間和天線后,每個頻率分量被損耗得一樣多,從而盡可能地實現無失真通信.

圖2 補償原理圖

2 補償技術驗證及應用

2.1 評價方法

超寬帶信號經天線輻射、傳輸、接收過程中總會存在一定程度的畸變,信號的畸變主要表現在它的拖尾現象,拖尾現象越不明顯,說明脈沖信號的保真度越高. 為了得到較好的通信效果,工程上總是希望這種畸變越小越好,即脈沖信號的保真度越高越好. 如圖1所示,發射信號St(t)和接收信號Sr(t,φ,θ)的保真度定義[10]為

(2)

式中: (φ,θ)代表球坐標系中信號的某個接收方向;τ為時間延遲參數. 通過選擇合適的τ值,可以使式(2)收發信號的相關系數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,當值為1時,說明信號傳輸過程中無失真.

2.2 補償技術驗證

為驗證本文補償技術的正確性,依據文獻[10]中Half-PTMA的設計尺寸在全波電磁仿真軟件CSTMicrowave中進行建模仿真. 根據公式(2)使用Matlab對脈沖激勵波形和天線遠場探針(理想點源接收天線)接收波形進行保真度計算. 仿真的回波損耗、方向圖、增益以及保真度計算值與文獻[10]基本一致,因篇幅所限,本文不予詳述. 下文詳細分析此天線的增益-頻率特性與保真度之間的關系.

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; 群延時波動范圍是0～0.47ns,在整個頻帶上可視為恒定值,由此產生的相位失真很小,可忽略不計.

高斯激勵脈沖幅度譜如圖3所示,脈沖信號能量在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明顯影響信號的保真效果.

圖3 高斯脈沖激勵幅度譜

選取Half-PTMA天線具有較高保真度(0.95以上)的遠場探針作為研究對象,分別為探針1、探針2、探針3,三個探針接收波形的保真度分別為0.962、0.966、0.975. 將這三個探針所在方位的天線中頻增益與對數曲線y=a-b*lg(x+c)進行擬合,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償技術理論相吻合.

2.3 超寬帶平面單極天線高保真設計

本節將闡述一款超寬帶平面單級天線的高保真設計改進,改進依據即為上文提出的補償技術. 改進前的天線設計已在文獻[11]中完成,其不足之處是保真度較低,不能達到0.9以上.

觀察文獻[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°)出現中頻下凹現象. 根據本文的補償原理可知,中頻下凹的增益特性不能實現信號的高保真通信. 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,輻射場相互抵消,導致增益降低.

(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[10]的設計方法,將天線對稱切半,得到一款超寬帶半平面單極天線,實物如圖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[11]中圖13的增益曲線不再出現中頻下凹現象,而是改變為隨頻率的增大趨近對數規律上升,基本達到本文提出的增益補償需求.

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

由圖9可知,雖然天線的增益經過設計改進后,脈沖信號的保真度能夠達到0.90以上,但是還沒有達到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以上的群延時較大,即脈沖信號的低頻段和高頻段經過天線后發生了較大的相位失真. 將高斯激勵脈沖的帶寬由700 MHz～11.5 GHz調整為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域發射接收的測試平臺[12]. 切半后該一對天線的脈沖(2～10.6 GHz)發射St(t)和接收Sr(t)時域測量波形如圖11所示,保真度測量值達到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域仿真特性

圖10 超寬帶半平面單極天線群延時

(a) 實測發射脈沖信號

(b) 實測接收脈沖信號圖11 周期23 ns的超寬帶半平面單極天線 收發系統實測發射和接收信號

天線/脈沖帶寬仿真值測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[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[10] Half-PTMA天線保真度對比

3 結 論

本文重點研究了信號經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,提出了信號在自由空間中幅度失真的補償技術,即:將天線的增益-頻率設計成以對數規律變化,以此補償信號在自由空間傳輸過程中產生的隨頻率對數增長的傳輸損耗而引起的幅度失真.

為驗證本文提出的補償技術,對Half-PTMA單極天線的高保真特性進行仿真分析,獲得了該天線增益-頻率特性曲線與對數曲線的高擬合度; 依據本文的補償技術原理,對一款超寬帶平面單極天線進行高保真設計改進,通過將該天線對稱切半獲得了符合補償原理的增益-頻率特性,從而使得該天線收發脈沖信號的保真能力提高了5%,成功將本文提出的補償技術應用到超寬帶高保真天線的設計.

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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,現為中航工業雷達與電子設備研究院工程師,主要研究方向為電磁兼容仿真與測試技術.

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

劉學觀 (1965-),男,江蘇人,蘇州大學電子信息學院教授,博士,中國通信學會電磁兼容專業委員會委員,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、科研工作.

邵呂霞, 郭輝萍, 劉學觀. 超寬帶脈沖天線的補償技術研究[J]. 電波科學學報,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

聯系人： 邵呂霞 E-mail: shaolvxia1985@126.com

DOI 10.13443/j.cjors.2016061701