寬帶改型B 夾層移動(dòng)通信天線罩的仿真設(shè)計(jì)

1、寬帶改型B 夾層移動(dòng)通信天線罩的仿真設(shè)計(jì)韓國棟，顧長青（南京航空航天大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，南京，210016）摘要：帶寬是移動(dòng)通信加罩天線的一項(xiàng)重要技術(shù)指標(biāo)。利用Ansoft HFSS軟件，以單極子柱狀天線為研究對(duì)象，首先對(duì)單層罩結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真，其結(jié)果驗(yàn)證了方法的正確性；并在此基礎(chǔ)上，提出一種新型的B 夾層罩壁結(jié)構(gòu)，分析了天線諧振頻率和帶寬隨罩壁厚度，材料的介電常數(shù)，天線罩內(nèi)徑以及夾芯層占罩壁總厚度比例等參數(shù)的變化趨勢(shì)，找出了以上參數(shù)對(duì)帶寬影響的最優(yōu)化范圍，設(shè)計(jì)的這種天線罩具有單層罩近2倍的帶寬。關(guān)鍵詞：B 夾層天線罩，移動(dòng)通信，帶寬，諧振頻率，寬帶 中圖分類號(hào)：TN820.8Design a

2、nd Simulation of Wide-band Improved B-Sandwich Antenna-Radome in Mobile CommunicationHan Guo-dong, Gu Chang-qing(College of Information Science and Technology,Nanjing University of Aeronautics & Astronautics, Nanjing, 210016,ChinaAbstract: Bandwidth is an important technical index of the antenna

3、 covered with radome in the mobile communication system. The monopole rod antenna is studied by using the software of Ansoft HFSS. Firstly, the single layer radome is simulated and the results confirm the correctness of this kind of simulation method. Then, one novel B-sandwich radome structure is p

4、roposed, and the variation tendency of the resonance frequency and bandwidth depending on a series of parameters, including the total depth of the radome, the permittivity constant of the dielectric interlayer material, the inner radius and the scale of the interlayer depth to the total radomes, are

5、 analyzed. And the optimal ranges of these parameters for the bandwidth are found out. The result shows that this kind of radome has enhanced one times bandwidth than the single layer radome. 基金項(xiàng)目：江蘇省自然科學(xué)基金（BK2002093）資助項(xiàng)目作者簡介：韓國棟，男，博士研究生，1980年生；E-mail: laorieshan; 顧長青，男，教授，博士生導(dǎo)師，1958年生。Key words: B-

6、sandwich Radome, mobile communication, resonance frequency , bandwidth, wide band1 研究背景隨著第三代移動(dòng)通信的迅速發(fā)展，通信天線的要求越來越高，例如在IMT-2000系統(tǒng)中，天線帶寬已要求達(dá)到GHz 2左右。同時(shí)，為避免外置天線的裸露，減少風(fēng)，雨，沙塵等自然現(xiàn)象的危害，天線罩多采用類圓柱形結(jié)構(gòu)，天線罩結(jié)構(gòu)對(duì)天線電性能的影響必須考慮。對(duì)于移動(dòng)通信領(lǐng)域的天線罩來說，罩壁結(jié)構(gòu)位于天線近場(chǎng)區(qū)，主要關(guān)心的是天線罩對(duì)天線方向圖以及駐波比等指標(biāo)的影響1。目前，一些文獻(xiàn)2-3研究了天線與天線罩系統(tǒng)之間相互影響的數(shù)值方法，主要是

7、低頻法和混合法。但在移動(dòng)通信方面，天線罩的分析和具體設(shè)計(jì)工作，卻做的比較少，而且對(duì)提高天線帶寬方面也沒有給出滿意的結(jié)論4-6?，F(xiàn)本文采用文獻(xiàn)4中的/4單極子柱狀天線作為研究對(duì)象，旨在設(shè)計(jì)新的罩壁結(jié)構(gòu)，以適應(yīng)新一代移動(dòng)通信對(duì)天線帶寬的要求。本文在用HFSS 商用軟件對(duì)文獻(xiàn)4的單層天線罩仿真對(duì)比基礎(chǔ)上，研究了B 夾層天線罩的天線帶寬特性隨罩壁厚度、介電常數(shù)，天線罩內(nèi)徑以及內(nèi)夾層厚度占罩壁總厚度比例等參數(shù)的變化趨勢(shì)。討論了B 夾層天線罩對(duì)天線帶寬的影響。同時(shí)為了穩(wěn)定天線結(jié)構(gòu)，還采用一種低介電常數(shù)的材料Nomex 蜂窩材料7填充罩壁內(nèi)側(cè)與天線之間的空隙，結(jié)果表明對(duì)天線帶寬影響不大。2 研究方法的實(shí)現(xiàn)本

8、文研究的具體過程是：首先用HFSS軟件仿真了文獻(xiàn)4提供的單層天線罩模型，得到的結(jié)論與文獻(xiàn)4用FDTD 方法一致；然后提出一種新型B 夾層天線罩結(jié)構(gòu)，通過不斷改進(jìn)電氣參數(shù)的設(shè)計(jì)值以優(yōu)化電氣性能，最終實(shí)現(xiàn)了更高工程要求的寬帶型天線罩結(jié)構(gòu)。2.1 B夾層天線罩電性能隨不同參數(shù)變化的分析 圖1 天線罩模型及饋電結(jié)構(gòu)圖1的a 、b 分別給出了文獻(xiàn)4的單層天線罩模型和本文采用的B 夾層天線罩模型。圖中各參數(shù)的含義分別為：a 為振子直徑，取5mm ；L 為振子高度，取0/4; c H 為罩體的總高度，取125mm ，這些取值保證了與文獻(xiàn)4的統(tǒng)一，利于分析對(duì)比。本文對(duì)單極子采用同軸饋電（圖1-c 示），為保證

9、同軸線的特征阻抗為50，同軸線外導(dǎo)體半徑b 與內(nèi)導(dǎo)體半徑a 的關(guān)系須滿足/2.3b a =8。無罩時(shí)天線工作的中心頻率1.92r f GHz=，其工作波長015.625cm =。單層天線罩和B 夾層天線罩的中心頻率分別為S f 和B f 。單層罩材料的相對(duì)介電常數(shù)3.0r =；B 夾層天線罩蒙皮材料的介電常數(shù)為132.2r r =，通過對(duì)不同夾層介電常數(shù)天線罩電性能的功率傳輸系數(shù)T9的分析，當(dāng)2(6,9r 時(shí)，帶寬特性變化不大，而2(6,9r 時(shí)，帶寬明顯下降。故夾層材料采用蜂窩結(jié)構(gòu)的玻璃鋼，電性能常數(shù)26.56r =，tan 0.00510。本文頻率掃描范圍：GHz 52. 332. 1。仿

10、真設(shè)計(jì)中，考慮到復(fù)合材料的厚度對(duì)天線罩的電性能、剛度以及強(qiáng)度有很大的影響，本文首先選取復(fù)合材料厚度占罩壁厚度的比重為0.7T =。2.1.1輸入特性隨罩壁厚度c T 的變化圖2所示，B 夾層天線罩諧振頻率B f 的變化要比單層罩壁結(jié)構(gòu)的諧振頻率S f 明顯。罩壁厚度c T 大約在00.05c T <以及000.0640.2c T <<范圍，B f 偏低，從圖3的帶寬變化曲線看出，大約在00.07c T <時(shí)，B 夾層罩壁比單層罩壁有明顯的優(yōu)勢(shì)，可以提高接近20%；但是在000.070.2c T <<時(shí)，夾層罩壁的帶寬性能卻急劇惡化。因此，在罩壁厚度c T 盡

11、可能小的情況下，我們選擇B 夾層天線罩可以明顯地改善天線帶寬的性能，可以看出，00.05c T =是個(gè)不錯(cuò)的選擇。 (歸一化諧振頻率 f B /f r , f s /f r 罩壁厚度Tc (0/m 圖2 加罩后天線的歸一化中心頻率偏移比較 帶寬(% (電壓駐波比<2 罩壁厚度T c ( 0/m圖3 加罩后天線帶寬比較2.1.2 輸入特性隨罩內(nèi)徑in R 的變化圖4表明B 夾層天線罩的諧振頻率Bf 隨著天線罩內(nèi)徑in R 的變化，始終要比文獻(xiàn)4中單層天線罩的低，說明在相同in R 的情況下B 夾層天線罩材料更容易引起諧振，且在我們研究的in R 范圍內(nèi)，一直有B r f f 。圖5表明在0

12、0.125in R <時(shí)，B 夾層天線罩在帶寬方面較單層罩壁結(jié)構(gòu)有明顯的提高，在00.05in R =附近，更是達(dá)到了60%以上，但是我們也注意到，在00.125in R >時(shí)，B 夾層天線罩卻處于相當(dāng)?shù)牧觿?shì)，在工藝上，應(yīng)盡量避免in R 值落在這樣的范圍內(nèi)。從天線罩向簡約方向發(fā)展來說，0(0.050.02 in R =±仍然是相當(dāng)理想的選擇。(歸一化諧振頻率 f B /f r , f s /f r內(nèi)徑Rin (0/m圖4 加罩后天線的歸一化中心頻率偏移比較內(nèi)徑Rin (0/m帶寬(% (電壓駐波比<2圖5 加罩后天線帶寬比較2.1.3 輸入特性隨夾層厚度的比例T

13、的變化由于我們?cè)谡直诮Y(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中采用了夾層，因此有必要討論一下夾層比例T 對(duì)天線性能的影響。在分析了天線加罩電性能隨, c in T R 的變化后，我們?cè)谄涓髯缘膬?yōu)勢(shì)區(qū)域內(nèi)選取了一固定值00.064in R =，00.05c T =。從圖6看出，隨T 的增加，諧振頻率B f 在0.91.05倍的r f 范圍內(nèi)呈逐漸增加趨勢(shì)，但變化不是很大。帶寬方面，在0.250.55T <<范圍內(nèi)，帶寬可以達(dá)到65%以上，因此，這個(gè)范圍是我們?cè)诠こ淘O(shè)計(jì)中應(yīng)該優(yōu)先考慮的。 T（夾層材料占罩壁總厚度的比例）帶寬(% （電壓駐波比<2f B /fr (歸一化諧振頻率圖6 加罩后天線帶寬和歸一化的中

14、心頻率偏移隨T的變化2.2 B夾層天線罩的優(yōu)化設(shè)計(jì)根據(jù)上面分析，我們?cè)趨?shù), c in T R 和T 的優(yōu)勢(shì)范圍內(nèi)選取如下數(shù)據(jù)：00.05c T =，00.05in R =和0.5T =，用HFSS 建模、仿真得到了VSWR<2.0時(shí)的帶寬結(jié)果，并就這兩種結(jié)構(gòu)進(jìn)行比較。為使天線-天線罩一體化結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，本文采用在罩壁內(nèi)側(cè)與天線之間填充低介電常數(shù)、低損耗的復(fù)合介質(zhì)材料Nomex 蜂窩材料7，其中1.09r =，3tan 4.3210=× 。同時(shí)，由單極子天線的輻射特性知，在天線軸向較小的俯仰角內(nèi)，輻射很小，天線罩的高度c H 對(duì)天線輻射的影響亦很小，故將c H 降至實(shí)際工藝設(shè)計(jì)的范

15、圍內(nèi)，即取c c H L T =+，并把天線罩的頂端封閉，頂端部分的介質(zhì)材料特性與周側(cè)罩壁一致，天線的長度不變，仍然是4/，天線罩橫截面如圖7所示。這樣再次得到在VSWR<2.0下的帶寬，（見圖8），我們所設(shè)計(jì)的B 夾層天線罩在VSWR<2.0情況下，具有單層天線罩近2倍的帶寬，這對(duì)于改善天線的電性能具有相當(dāng)大的積極意義, 同時(shí)也達(dá)到了我們預(yù)期的目的。而填充Nomex 蜂窩材料的夾層罩壁與未填充蜂窩材料的夾層罩壁在帶寬上差異不是很大，但是后者對(duì)天線天線罩系統(tǒng)的固定具有重要的作用。圖7 填充Nomex 蜂窩材料的天線罩橫截面示意圖 電壓駐波比頻率f /GHz圖8 帶寬比較示意圖3 結(jié)

16、論本文通過對(duì)B 夾層天線罩電特性的研究，找出了罩壁厚度、介電常數(shù)，天線罩內(nèi)徑以及內(nèi)夾層厚度占罩壁總厚度的比例等參數(shù)對(duì)天線帶寬影響的最優(yōu)化范圍，并在此基礎(chǔ)上提出了一種新型罩壁組成結(jié)構(gòu)，提高了比單層天線罩近一倍的帶寬，達(dá)到了工藝設(shè)計(jì)與實(shí)際應(yīng)用的目的。 參考文獻(xiàn)：1 張樂，有限元法設(shè)計(jì)引信天線罩J，制導(dǎo)與引信, 2002, 23(4:2227。2 Abdel Moneum M.A., Shen Z., Volakis J.L., et al,Hybrid PO-MoM Analysis of Large Axi-Symmetric RadomesJ, A.P.IEEE,2001,49(12: 165

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