任意锥角有限长双锥天线电磁特性的仿真研究

第18卷　第6期　　　　　　　　　

2003年12月　　　

电　波　科　学　学　报

CHINESEJOURNALOFRADIOSCIENCE

Vol.18,No.6

　　　　　　　　　　December,2003

　　文章编号　100520388(2003)0620704205

任意锥角有限长双锥天线电磁特性的仿真研究

王　琪　阮成礼　王洪裕

(电子科技大学物理电子学院,[email protected],四川成都610054)

Ξ

摘　要　运用基于有限元法的HFSS电磁场仿真技术,对任意锥角有限长的双锥天线的电磁特性进行数值研究,得到了包括对称双锥、不对称双锥、盘锥等不同类型锥

体天线的阻抗特性和远区场辐射特性,特别是宽锥角下的宽频带特性等。计算结果与实验值及其它理论数据较好地吻合,表明了电磁场数值仿真技术在天线设计中的广阔应用前景。

关键词　双锥天线,宽频带特性,远区场辐射方向图,输入阻抗,数值仿真,有限元法

中图分类号　TN82B　　　　文献标识码　B

Simulationstudyontheelectromagneticcharacteristicsofthe

biconicalantennasforfinitelengthandarbitrary

WANGQi　RUANCheng2li　WANGHong2yu

(SchoolofPhysicalElectronics,UESTofChina,[email protected],ChengduSichuan610054,China)

Abstract　BymeansoftheHFSSEMsimulationtechnologybasedonthefiniteelementmethod,thecharacteristicsoftheinputimpedanceandradiationpatterninthefarzoneareinvestigatedforthebiconicalantennaswitharbitraryconeangleandfinitelength,includingthesymmetricalbicone,asymmetricalbiconeanddiscone.Specialattentionhasbeenputtotheanalysisofthebroadbandperformanceofthelargewide2anglebicon2icalantennas.Thecalculatedresultsareinagreementwiththatofthemeasuredandtheothertheories.ItisindicatedthattheEMsimulationtechnologyhasabrightfutureinthedesignofantennas.

Keywords　biconicalantenna,characteristicsofbroadband,radiationpatternsinthefarzone,inputimpedance,numericalsimulation,finiteelementmethod

1　引　言

双锥天线是宽频带天线中最富代表性的天线形

式,因而几十年来人们对它的研究一直没有中断[1]～[14]。

就求解问题的方法而言,对双锥天线的研究主要包括五种类型:11对无限长双锥的研究[1]。通过保角变换将其变换成平面结构,继而求出双锥的特

性阻抗等。在此基础上又可以研究无限长双锥天线的其它形式,如面状鳍片双锥[2]、椭圆双锥[3][14]等。无限长双锥是一种理想模型,是各种双锥天线研究的理论基础,但其研究结果不能满足实际工程中有限长的要求,特别是电小天线的要求。21对有限长双锥的实验研究[5]。通过对各种有限长双锥天线模型进行实验测试,得到辐射方向图以及输入阻抗等。这种方法过程简单,数据可靠,可通过列表或图

Ξ

收稿日期:2003201203

形为理论研究及工程应用提供基本参数。但实际运作中不可能对所有尺寸和所有频率的双锥进行测试,因而涉及的范围是十分有限的。31用模式匹配分析法[4][7][9][11]。利用天线结构的柱面对称性,用球函数展开电磁场,运用锥面和球面边界条件,得到描述场和阻抗特征的级数表达式。模式匹配法又可分成小锥角和宽锥角两种情况分别近似处理,得到各自适用的近似表达式。模式匹配法是分析有限长任意锥角双锥天线特性的行之有效的理论方法,缺点是方法复杂,推出的远区辐射场和终端导纳的表达式都是无限级数,需要根据具体条件选取若干项来近似处理,给工程应用带来诸多不便。41用惠更斯原理的方法[10]。借助已知的无限长双锥周围场的解析式来表示有限长双锥口径面上的电磁场,继而通过惠更斯等效电流源计算远区辐射场,给出了方向图精确的描述。这是获取双锥天线远区辐射场特别简单的一种方法,且物理意义清晰,而且可以用于计算各种非对称形状的双锥。该方法的弱点是不能获取端口参数,如阻抗、S参数、以及驻波比等。51数值方法。将矩量法用于计算特定线双锥天线的远区辐射方向图和输入阻抗[12],取得很好的结果。近来年一些作者将FDTD方法应用到双锥天线的计算[13],这种方法的优点是可用高斯脉冲一次性作用于双锥,从而获得双锥天线的宽带范围的端口参数和指定频率的远区辐射场。然而这些方法仍不完善,只能针对特定问题进行处理,不具有通用性,存在着非均匀网格的剖分技术,以及编程技巧诸方面的困难。

本文采用Ansoft公司开发的高频结构模拟器(High2frequencystructuresimulator8.0)[15],对任意结构的双锥天线进行数值仿真研究。该模拟器是用有限元法开发的程序,本质上是一种数值计算。其优点在于,只要建模和参数设置正确,就能快捷地给出比较准确的仿真结果,包括获取给定频率的方向图和扫描范围内各频点的端口参数等,这无疑给天线设计工程师带来了极大的便利。尽管仿真技术用于天线的定量计算存在一定的误差,然而对于很多情况下的工程设计已经足够。将HFSS应用到微带结构和腔模结构的仿真已经得到广泛的应用,然而将其引用到具有开结构天线的辐射场计算和端口参数的提取尚不多见。本文计算了具有代表性的几种双锥天线的电磁参数,与实验数据以及其它方法计算结果进行比较,取得较好的一致性,表明了这种方法在天线工程设计过程中的光明应用前景。

图2　小锥角双锥天线E面方向图

ka=1.57,θ1=θ2=15°

2　双锥天线的建模

典型的双锥天线如图1所示,两锥臂长相等,且

为有限长a,上下锥角不等,半锥角分别设为θ1和θ当θ时为盘锥;2。1=θ2时为对称双锥;当θ2=90°当θ时为同轴双锥;当θ且为无限长金2>90°2=90°

属平板时,为单锥;当上下两锥的对称轴不共线时,为偏轴双锥。双锥根据其相对波长的尺寸,又可为电大和电小情况。研究中均设定双锥体为理想导体,锥顶点之间的间隙理论上要求无限小,实际建模留有少量空隙。为了减小计算机内存和提高运行速度,建模中尽量利用对称结构关系,即对于上下对称的模型采用电壁选项,旋转对称模型采用磁壁选项。双锥的仿真模型又可分别采用实体、空心体以及带有球帽的实体,但计算结果表明,三种情况下远区辐射方向图以及阻抗特性并没有显著差异

。

图1　有限长任意锥角双锥天线

3　双锥天线远区场辐射特性研究

图2为a=30cm,θ,频率为250MHz1=θ2=15°

对应的远区辐射归一化的E面E场方向图,实线为仿真计算值,小圆圈为由文献[10]提供的实验数据

,

实线为仿真计算结果,虚线为文献用模式匹配法

(MMM)计算所得到的数据[11],(图6同)。为便于比较,图中只绘出0～90°的范围。由图可知,仿真结果只在θ=30°附近与模式匹配法的计算有较大偏差,两者的正确性有待进一步实验验证。由于此种情况ka=5.3198,已不能列入电小天线范畴,因此尽管主瓣仍在水平方向,但方向图不再呈现偶极子特征的∞状图形。图6对应的双锥天线尺寸与图5相同,但f=1GHz,这时ka=10.6396,已属电大范畴。此时主瓣仍在水平方向,但方向图偏离∞形状更远

。

(图3图4同)。实验与计算吻合得很好。这里由于

双锥臂长a=λ/4,故俯仰面呈现标准偶极子的∞形辐射方向图。

图3计算了上下锥角不相等情况远区辐射场归一化E面E场的方向图。其中a=30cm,θ,1=15°

θ,频率f=500MHz。结果表明,不等锥2=45°角的效果是使方向图的主瓣向小锥角方向产生一定的偏转。如果双锥尺寸不变,对频率较低的情况,如f=250MHz,计算表明,对应的方向图主瓣的这种偏转很不明显,基本仍呈现∞形。图4为盘锥天线辐射场的E面E场方向图。a=30cm,θ,θ,频率f=500MHz。由1=15°2=90°

于圆板半径非无限大,其结果是方向图主瓣较大幅度地偏向小锥角一侧

。

图5　大锥角双锥天线E面方向图

ka=5.3198,θ1=θ2=53.1

°

图3　不等锥角双锥天线E面方向图

ka=3.14,θ,θ1=15°2=45

°

图6　大锥角双锥天线E面方向图

ka=10.6395,θ1=θ2=5311°

图4　盘锥天线E面方向图

ka=3.14,θ,θ1=15°2=90°

进一步计算表明,当几何尺寸不变,而频率继续

增加,主瓣方向将不再是θ=90°的方向,而是逐渐向锥表面方向靠近。

图5为大锥角对称双锥,即θ,a1=θ2=53.1°=50.8cm,f=500MHz的辐射E面E场方向图,

4　双锥天线阻抗特性研究

HFSS可以在扫描频率范围内计算各指定频点

的端口参数,包括S参数、输入阻抗和电压驻波比等。如果扫描频率范围很宽,也可以采用分段扫描再进行组合的方法以提高计算精度和运行速度。

图7仿真计算了锥角较小时双锥天线输入阻抗的实部和虚部随频率的变化曲线,对应的是半锥角为θ的双锥。为了比较方便,用电角度作1=θ2=20°为横坐标,用欧姆单位作为纵坐标。与文献[5]对应的实验值进行比较,尽管存在一定误差,但在很大频率范围内与实验值相符或变化趋势一致。该曲线反映了双锥天线的小锥角属性,即阻抗随频率变化的起伏关系

。

图9　大锥角双锥天线电压驻波比与频率的关系

θ1=θ2=72.5°

真结果表明,天线输入阻抗实部在低频段随频率的变化波动很大,但随着频率的增加,只在特征阻抗上下作微小摆动。电抗则由低频端的大容抗值随频率增加在感抗与容抗之间交替减幅变化,图9进一步计算了在相同频率范围内电压驻波比随频率的变化关系。由图8、图9与图7的对比中可以看出,宽锥角电大双锥天线具有宽频带甚至是超宽频带的性质,文献[8]的结果验证了仿真计算的正确性。

5　结论

通过对具有典型性的双锥天线进行仿真数值计

图7　小锥角双锥天线输入阻抗与

频率的关系θ1=θ2=20

°

算,研究了双锥天线的辐射特性和阻抗特性,包括在天线工程中极具应用价值的宽锥角的宽频带特性。计算结果表明了仿真技术的可靠性、简洁性、快捷性和适用性。可进一步将这种研究扩展到非对称结构双锥、V锥、线双锥等,这些天线形式在工程应用中具有十分重要的意义。将仿真技术应用于天线设计,将大大减轻电子工程师重复劳动带来的沉重负担,在天线技术的研究朝着超宽带、高增益、低剖面方向发展的年代,不断推陈出新仿真技术必将在天线工程设计及其相关应用领域发挥更加强大的作用。参考文献

[1]　SASchelkunoff1Generaltheoryofsymmetricbiconical

图8　大锥角双锥天线输入阻抗与频率的关系

θ1=θ2=72.5°

antennas[J]1J.Appl.Phys.,1951,22(11):1330～1332.

[2]　RobertLCarrel1Thecharacteristicimpedanceoftwoinfi2

niteconesofarbitrarycrosssection[J]1IREtransactionsonantennasandpropagation,1958,6(1):197～201.[3]　ChengliRuan1Biconicalantennaswithellipticalcross2sec2

图8计算了大锥角θ有限长单锥1=θ2=72.5°

天线阻抗特性图。由文献[1],该单锥天线的特性阻抗可由下式计算zc=60lnctg(θ/2)=18.62Ω。

仿

[13]　Roan,RT,Zaki,KA.ApplicationoftheFDTDmethod

totheanalysisofbiconicalantennas[J].AntennasandPropagationSocietyInternationalSymposium,1998,1(6):516～519.

[14]　阮成礼1双锥天线的普遍模型[J]1电波科学学报,

2001,16(1):39～401

[15]　HFSSandpotimerics.Version810.2001(Ansoftcorp,

USA)

1

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　　王　琪　(19562),男,江苏

人,江苏盐城师范学院副教授,现为电子科技大学物理电子学院博士生,电磁场与微波技术专业。主要研究方向为电小天线宽频带特性研究,电磁场数值计算等

。

阮成礼　(19442),男,湖北人,电子科技大学教授,博士生导师。中国电子学会,中国电工学会,IEEE会员。主要研究方向为超宽带电磁学、电磁散射、天线、光电子技术等

。

王洪裕　(19782),男,浙江人,现为电子科技大学物理电子学院硕士生,电磁场与微波技术专业。主要研究方向为天线理论与技术等。

～13101

[11]　SurendraNSamaddar.Biconicalantennaswithunequal

coneangles[J].IEEETrans.onantennasandpropaga2tion,1998,46(2):181～193.

[12]　CESmithandCMButlerandKRUmashankar.

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