超宽带脉冲天线的补偿技术研究

邵吕霞 郭辉萍 刘学观

(1.中航工业苏州长风航空电子有限公司, 苏州 215151;2. 苏州大学电子信息学院, 苏州 215021)

超宽带脉冲天线的补偿技术研究

邵吕霞1郭辉萍2刘学观2

(1.中航工业苏州长风航空电子有限公司, 苏州 215151;2. 苏州大学电子信息学院, 苏州 215021)

针对超宽带通信系统中脉冲信号传输保真度的问题,分析了保真度与脉冲天线的相频特性、增益-频率特性的关系,提出通过调整天线的增益特性来对信号在自由空间产生的传输损耗进行平衡补偿的技术. 通过对一款高保真印刷半锥形单极天线 (Half-Printed Tapered Monopole Antenna, Half-PTMA)增益-频率特性的仿真分析,以及将此补偿技术应用到一款超宽带平面单极天线的设计改进,改进后保真度提高了5%,验证了文中补偿技术的有效性,为超宽带脉冲天线的高保真设计提供了有价值的设计依据.

超宽带天线;脉冲;保真度;增益;传输损耗

引 言

近年来,超宽带无线电技术已取得了突破性进步. 相对于传统窄带无线通信而言,超宽带无线通信系统具有空间容量大、测距精度高、保密性好、多径分辨能力强并具有与现有窄带通信系统共存、低功耗、低成本、小体积等诸多优点. 如图1所示,基于窄脉冲实现的超宽带通信系统的典型脉冲时域宽度为纳秒级,有很宽的瞬时带宽. 传统无线通信系统中窄带天线的电参数是在系统中心频率获得的频域参数,但在更大的工作频率范围内,这些参数将随频率发生变化,超宽带的频域电参数已不足以反映超宽带天线的性能,迫切需要分析超宽带天线的时域性能. 其中超宽带天线脉冲时域波形的保真度逐渐成为超宽带天线时域性能的研究热点. 天线的脉冲时域波形保真能力与天线的增益、方向性、有效长度、输入阻抗以及极化特性等诸多电参数都有关系,因此超宽带高保真天线的设计[1-5]是一个具有挑战性的课题.

文献[6]选取衡量天线保真能力的参数平均有效相干能量增益(Mean Effective Correlated Energy Gain, MECG) 作为适应度函数,基于遗传算法,优化后的MECG仿真值和实测值分别提高0.157和0.161,获得了脉冲保真度较高的天线结构尺寸. 这种引用遗传算法的纯仿真设计方法虽然可以全自动获得高保真的天线结构,但是没有给出天线的高保真辐射机理分析,缺乏了超宽带天线高保真设计方法的普遍指导意义. 文献[7]通过Monte-Carlo仿真模拟了天线增益与群延时对脉冲保真度(fidelity)和脉冲展宽比(pulse width stretch ratio)的影响,得出天线群延时变化越小、增益越稳定,脉冲信号失真越小的分析结论[8-9]. 但这个结论仅是基于天线自身的角度来考虑脉冲波形保真度的问题,而脉冲信号除了经过保真度较差的超宽带天线会产生失真,经过自由空间也会产生传输损耗,迫使接收机及其后续系统必须对其采取必要的补偿措施来纠正这些失真,增加了整个系统的额外负担.

因此,本文将从图1所示的超宽带无线通信系统整体的角度去研究超宽带高保真天线的设计方法,利用天线的参数设计来补偿自由空间中固有的传输失真,从而减轻接收机及其后续系统的负担.

图1 超宽带无线通信系统

1 补偿原理

信号从发射到接收会产生幅度失真和相位失真.通常,自由空间可近似视为无色散媒质,即信号在自由空间传输时不会产生相位失真.若不考虑多径效应,信号的相位失真由天线的群延时决定,当群延时随频率变化的曲线是一条水平直线或接近直线时,认为没有相位失真或相位失真很小.

根据弗瑞斯传输公式,信号在自由空间(包含收发天线)的传输损耗为

Lbf= 32.45+20lgf(MHz)+20lgr(km)-

GTX-Antenna(dB)-GRX-Antenna(dB).

(1)

式中:r为电磁波在自由空间的传输距离；GTX-Antenna(dB)和GRX-Antenna(dB)分别是发射和接收天线的增益. 若不考虑天线和传输距离的影响,信号的传输损耗随频率的增大以对数规律增长,使得信号各频率分量的幅度产生不同程度的衰减,造成幅度失真.

如图2所示,消除上述幅度失真的补偿技术即是:将超宽带天线的增益设计成随频率以对数增长,以此补偿传输损耗Lbf中20lgf(MHz)项引起的幅度失真,即信号在通过自由空间和天线后,每个频率分量被损耗得一样多,从而尽可能地实现无失真通信.

图2 补偿原理图

2 补偿技术验证及应用

2.1 评价方法

超宽带信号经天线辐射、传输、接收过程中总会存在一定程度的畸变,信号的畸变主要表现在它的拖尾现象,拖尾现象越不明显,说明脉冲信号的保真度越高. 为了得到较好的通信效果,工程上总是希望这种畸变越小越好,即脉冲信号的保真度越高越好. 如图1所示,发射信号St(t)和接收信号Sr(t,φ,θ)的保真度定义[10]为

(2)

式中: (φ,θ)代表球坐标系中信号的某个接收方向;τ为时间延迟参数. 通过选择合适的τ值,可以使式(2)收发信号的相关系数取得最大值即为保真度值， 保真度的取值范围为0到1,其值越大说明保真性越好,当值为1时,说明信号传输过程中无失真.

2.2 补偿技术验证

为验证本文补偿技术的正确性,依据文献[10]中Half-PTMA的设计尺寸在全波电磁仿真软件CSTMicrowave中进行建模仿真. 根据公式(2)使用Matlab对脉冲激励波形和天线远场探针(理想点源接收天线)接收波形进行保真度计算. 仿真的回波损耗、方向图、增益以及保真度计算值与文献[10]基本一致,因篇幅所限,本文不予详述. 下文详细分析此天线的增益-频率特性与保真度之间的关系.

本文仿真得到的Half-PTMA天线回波损耗低于-10dB的频带范围是3.3～15GHz; 群延时波动范围是0～0.47ns,在整个频带上可视为恒定值,由此产生的相位失真很小,可忽略不计.

高斯激励脉冲幅度谱如图3所示,脉冲信号能量在0.3以上的处于中频段5～14GHz,因此保真度的幅度失真主要由天线中频段的增益-频率特性曲线决定,低频段和高频段的增益只要不过分偏离中频段增益就不会明显影响信号的保真效果.

图3 高斯脉冲激励幅度谱

选取Half-PTMA天线具有较高保真度(0.95以上)的远场探针作为研究对象,分别为探针1、探针2、探针3,三个探针接收波形的保真度分别为0.962、0.966、0.975. 将这三个探针所在方位的天线中频增益与对数曲线y=a-b*lg(x+c)进行拟合,拟合相似度分别为0.993 3、0.996 0、0.989 99,如图4所示. 图4所示的高拟合相似度与本文提出的补偿技术理论相吻合.

2.3 超宽带平面单极天线高保真设计

本节将阐述一款超宽带平面单级天线的高保真设计改进,改进依据即为上文提出的补偿技术. 改进前的天线设计已在文献[11]中完成,其不足之处是保真度较低,不能达到0.9以上.

观察文献[11]中图13所示的增益曲线(方向:天线所在面的右上仰角或者左上仰角60°)出现中频下凹现象. 根据本文的补偿原理可知,中频下凹的增益特性不能实现信号的高保真通信. 中频增益降低的原因分析如下:图5是天线的面电流分布,电流A和电流B的x分量方向相反,辐射场相互抵消,导致增益降低.

(a) 探针1的增益曲线拟合

(b) 探针2的增益曲线拟合

(c) 探针3的增益曲线拟合图4 增益-频率特性曲线拟合

图5 超宽带平面单极天线电流分布

图6 超宽带半平面单极天线正反面实物图

(a) E面

(b) H面图7 超宽带半平面单极天线方向图

借鉴文献[10]的设计方法,将天线对称切半,得到一款超宽带半平面单极天线,实物如图6所示. 切半后的天线E面和H面辐射方向图如图7所示. 切半前后天线所在面左上仰角60°方向的增益变化如图8所示:文献[11]中图13的增益曲线不再出现中频下凹现象,而是改变为随频率的增大趋近对数规律上升,基本达到本文提出的增益补偿需求.

将远场探针设置在天线所在面左上仰角60°方向,切半前后天线的激励脉冲(700 MHz～11.5 GHz)和远场探针接收脉冲的时域仿真波形如图9所示. 切半后的天线远场探针接收到的信号拖尾现象得到改善,保真度较切半前由0.86提高至0.91.

由图9可知,虽然天线的增益经过设计改进后,脉冲信号的保真度能够达到0.90以上,但是还没有达到0.95以上. 原因分析如下:如图10所示,天线在2 GHz以下和10.6 GHz以上的群延时较大,即脉冲信号的低频段和高频段经过天线后发生了较大的相位失真. 将高斯激励脉冲的带宽由700 MHz～11.5 GHz调整为2～10.6 GHz. 保真度仿真值提高到0.96.

利用频谱分析仪搭建脉冲时域发射接收的测试平台[12]. 切半后该一对天线的脉冲(2～10.6 GHz)发射St(t)和接收Sr(t)时域测量波形如图11所示,保真度测量值达到0.85.

切半前后超宽带平面和半平面单极天线保真度的仿真值和测量值如表1所示．

图8 超宽带平面及半平面单极天线增益

图9 超宽带平面与半平面单极天线时域仿真特性

图10 超宽带半平面单极天线群延时

(a) 实测发射脉冲信号

(b) 实测接收脉冲信号图11 周期23 ns的超宽带半平面单极天线 收发系统实测发射和接收信号

天线/脉冲带宽仿真值测量值超宽带平面单极天线/700MHz～11.5GHz0.860.78超宽带半平面单极天线/700MHz～11.5GHz0.910.82超宽带半平面单极天线/2～10.6GHz0.960.85

将本文切半后的超宽带半平面单极天线(2 ～10.6 GHz)的保真度与文献[10]中Half-PTMA天线(3.1～10.6 GHz)的保真度相比,如图12所示. 在0°～40°方向上,Half-PTMA天线保真度高于本文的超宽带半平面单极天线,而在140°～180°方向上,本文的超宽带半平面单极天线保真度高于Half-PTMA天线,其他方向上两款天线趋于相等.

图12 超宽带半平面单极天线与文献[10] Half-PTMA天线保真度对比

3 结 论

本文重点研究了信号经过天线和自由空间传播过程中幅度失真的影响因素,主要包括天线增益-频率特性和自由空间的传播损耗,提出了信号在自由空间中幅度失真的补偿技术,即:将天线的增益-频率设计成以对数规律变化,以此补偿信号在自由空间传输过程中产生的随频率对数增长的传输损耗而引起的幅度失真.

为验证本文提出的补偿技术,对Half-PTMA单极天线的高保真特性进行仿真分析,获得了该天线增益-频率特性曲线与对数曲线的高拟合度; 依据本文的补偿技术原理,对一款超宽带平面单极天线进行高保真设计改进,通过将该天线对称切半获得了符合补偿原理的增益-频率特性,从而使得该天线收发脉冲信号的保真能力提高了5%,成功将本文提出的补偿技术应用到超宽带高保真天线的设计.

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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

邵吕霞 (1985-),女,江苏人,硕士研究生,现为中航工业雷达与电子设备研究院工程师,主要研究方向为电磁兼容仿真与测试技术.

郭辉萍 (1964-),女,山东人,苏州大学电子信息学院副教授,主要从事电磁理论及应用,微波与天线技术教学、科研工作.

刘学观 (1965-),男,江苏人,苏州大学电子信息学院教授,博士,中国通信学会电磁兼容专业委员会委员,主要从事电磁散射、电磁兼容、射频与微波工程及无线通信教学、科研工作.

邵吕霞, 郭辉萍, 刘学观. 超宽带脉冲天线的补偿技术研究[J]. 电波科学学报,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

联系人： 邵吕霞 E-mail: shaolvxia1985@126.com

DOI 10.13443/j.cjors.2016061701