对数周期天线的设计与仿真

2011-12-28胡小峰雷晓勇高永生

河北科技大学学报 2011年2期

关键词：偶极子探测系统电晕

万博，胡小峰，雷晓勇，高永生

（军械工程学院静电与电磁防护研究所，河北石家庄 050003）

对数周期天线的设计与仿真

万博，胡小峰，雷晓勇，高永生

（军械工程学院静电与电磁防护研究所，河北石家庄 050003）

在分析电晕放电原理的基础上，结合关于电晕放电探测系统的设计要求，选用CST微波工作室对对数周期天线进行了设计、优化与仿真，所得的仿真计算结果与测试结果有较好的一致性。设计出的对数周期天线具有高增益性，提高了整个电晕放电探测系统的灵敏度。

电晕放电；对数周期天线；CST；仿真；测试；

对数周期天线是由伊利诺伊大学的Dwight Isbell于1960年提出的，其结构简单、造价便宜，在EMC领域得到广泛应用。它是一种非频变天线，所谓非频变是指天线的阻抗、方向图、增益等电特性在频带范围内基本上无变化。它是根据以下阐述的理论构建而成的：当天线按照某一特定的比例因子τ变换后，仍为其原来的结构。这样，出现在频率τf和τ的天线性能，将在τf和τ2f的频率范围内重复出现，依次类推，天线的电性能将在很宽的频率范围内作周期性的变化。因此若能做到在f－τf频带内天线性能指标变化较小，那么就有可能达到非频变天线的要求。同时对数周期天线又是一种线极化天线，电场的极化方向平行于振子的方向。因而使得对数周期天线具有宽频带特性和线极化特性，所以应用其作为电晕放电信号探测系统是天线部分的最优选择。

电晕放电是尖端带电体的电压达到一定值时，周围的气体介质发生局部电离和激发过程而形成放电通道，放电过程伴有微弱的辉光和声响，电极并不出现击穿或导通的现象［1］。电晕放电过程中，在电子阶段电流具有非常快的上升沿，而在离子阶段电流呈指数衰减，电流上升沿决定了辐射电磁波的频率特性，其能量覆盖频率较宽，如以100～500 MHz为例进行以下讨论。

由于对数周期天线具有宽频带特性和线极化特性，所以应用其作为电晕放电信号探测系统是天线部分的最优选择［2］。按照电晕放电探测系统的设计要求，首先设计单个的对数周期天线，提供较高的增益，在此基础上后续进行设计多个阵列进行拼接组合实现高增益阵列天线阵［3］。

1 对数周期天线的结构与设计

如图1所示，对数周期天线是由N个平行排列的对称振子按照结构周期率τ构成的，有如下关系式：

式中：dn，L，Rn分别是两相邻振予的间距、为虚顶点至最长振子之间的距离、天线的几何顶点到第n个振子的垂直距离；振子的序号为n。

对数周期偶极子天线的设计按两部分进行，其整体结构要决定于周期率τ和结构张角2α。当τ和2α确定后，对数周期天线的几何结构也就确定了（有时为了设计上的方便也引用另一个参数σ，σ定义为σ＝dn／（2ln），σ称为间隔因子）。由于Rn＋1＝τRn以及Rn＝（ln／2）×cotα。

所以

图1 对数周期天线结构示意图

因此，在确定天线的设计参数时。只要知道了τ，2α和σ任意两个，天线的几何结构和电特性也就确定了。天线长度L＝（l1／2）×cotα，因此张角α增大天线长度大大减小。

为了保证天线在两端频率能满足要求，通常采用频带的高端和低端截止常数来设计高、低端偶极子的长度，并由此确定所需的偶极子数。最长的偶极子长度为L1＝K1λL。λL是最长的工作波长，K1是低端截止常数，K2是高端的截止常数，两参量由经验公式可分别得出为

对数周期天线的最短的偶极子长度是LU＝K2λU，此式中λU是最短工作的波长。用两个截止常数及频带的最高和最低频率可求得天线上偶极子数目。

2 对数周期天线的建模与仿真优化

2．1 建立对数周期天线模型

本文所设计的对数周期天线要求工作频段为125～500 MHz，该阵列的增益在中心频率250 MHz时约为25 dBi，驻波比小于2。建模过程中，考虑到工作频率在超短波及微波波段，电流主要集中在导体表面，模型中对数周期线可用实心金属代替。图2为CST建模器所生成的模型。

图2 对数周期天线模型

对数周期天线的辐射特性主要取决于σ和τ两个参量，根据实际工程所需要的对数周期天线，为方便后续设计与优化，将对数周期天线的主要参数σ和τ均设为变量，由于设计指标要求增益大于25 dBi，根据计算，可将取值区间选为［0．85，0．95］，对应取值区间为［0．04，0．09］，可以在参数扫描设置中对σ和τ同时进行扫描，比较结果选取最佳值；或者分别进行参扫，然后根据参数对考察的电特性曲线（比如VSWR）的影响趋势向最佳值逼近。经过扫参以及变量的优化过程，最终选取［τ，σ］＝［0．924，0．06］。