微波天线的设计和仿真探索

摘 要：对于很多微波源来说，其所产生的微波模式都是为圆波导轴对称模式，这就使得对于该种模式的辐射技术研究具有着非常重要的意义。文章就微波天线的设计和仿真进行分析与研究。

关键词：微波天线；设计；仿真探索

中图分类号：TP391.9 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2015）20-0024-02

近年来，微波技术在我国得到了较大程度的发展，很多种类型的微波器件相继出现。目前，高功率微波无论是在通讯、导航、农业生产还是雷达方面都得到了较为广泛的应用，尤其是在20世纪70年代之后，社会以及军事方面对高频率、高功率微波源的要求更使得微波技术得到了飞速的发展。其中，微波天线辐射技术可以说是对高功率微波技术进行研究的一个重点内容，将直接关系到相关信号是否能够被有效的进行辐射。对此，就需要我们通过微波天线的仿真研究对其进行更好的设计与应用。

1 Vlasov天线仿真设计

1.1 基本原理

1.1.1 Vlasov辐射器

对于该种天线类型来说，其是1975年由俄罗斯科学家所提出的一种紧凑、结构简单且十分有效的天线技术。在其出现之后，经过一段时间的发展成为了一种新类型的天线技术，目前，该种类型天线在实际应用中也分为了很多种类型，如根据切口形状的差异就可以分为Helix-Cut、Step-Cut、Bevel-Cut三种型号。

在该种技术中，其具有的TE0n以及TM0n由于具有着对称旋转的特征，在以喇叭方式或者开口波导方式对信号进行辐射时，则往往会呈现出一种空心圆锥形状。而为了能够对其所具有的这种轴对称型进行良好的改进、使其能够在实际应用中能够具有更好的方向性，目前也逐步开发除了一种特殊形状末端的阶梯型辐射器，其形状如图1（a）、（b）所示。

对于该种结构来说，其能够将波导中所具有的轴对称特征在辐射出之后形成一种具有方向性的空间辐射场，同时，此种结构也能够作为天线反射面的馈源，而在此种情况下，我们也将称之为Vlasov辐射器。而当其在直接辐射形式下对微波进行辐射时，就可以称之为Vlasov天线。对于Vlasov辐射器来说，其在几何光学方面鄋具有的特征较为明显，即在轴对称情况下，其所具有的微波矢量在波导中也是以对称的形式进行存在的，且在周线同射线之间具有着一个夹角。而当其开口一段为阶梯形状时，其在对信号辐射过程中所具有的对称性质也会随之发生变化，其射向阶梯的射线会被反射到了另外一侧，并因此使信号辐射所具有的方向性能够得到提升。

1.1.2 带反射面的Vlasov天线

对于以斜切或者阶梯形状的辐射器端口来说，其在具体辐射方向性方面虽然相较以往具有一定的提升，但是在其上端射线方面依然具有着发散的特征，并因此依然具有着较好的方向性。而对于轴对称模式来说，其所发出的射线都是从轴线位置向着端口斜上方进行辐射，在此种情况下，为了能够获得更好的辐射效果，就可以在在阶梯或斜切口上方加一个焦线位于波导轴线上的抛物柱面，以此获得单反射面的Vlasov天线。而对于这种具有单反射面的天线来说，其在实际应用中在同一个方向上会使波束出现变窄的情况，为了能够再次基础上获得更好的增益效果，则可以在其基础上放置二级放射面。

1.2 微波天线模拟仿真设计

1.2.1 Vlasov辐射器

在本文中，以数值模拟的方式设计了一种斜切角为30 ？觷的辐射天线，对于Vlasov辐射器来说，其切口倾角情况对于最终信号的辐射方向具有着较大的影响，当该倾角较大时，其在边缘效应的基础上就会使旁瓣电平随之升高。而当倾角较小时，方向图在特征方面则不具有较为明显的改善情况，而当该值为30 ？觷时，可以说整个辐射方向图具有着最为理想的状态，这也是我们选择该值为30 ？觷的原因。

在实际模拟时，我们在对模型进行监理时主要对以下三个因素进行了充分的考虑，即模式变换器的尺寸、斜切角的大小以及变换器鼻锥形状等。在对这几个因素进行确定之后，我们获得该辐射器的结构图，如图2所示。

在该辐射率的频段方面，应当能够保证信号圆波导段TM01能够得到有效的传输，即其在低频电方面同TM01的截至频率相比应当要高，而高频点同TM02的截至频率相比应当较低。在该辐射器工作过程中，当其频率升高到出现TM02时，则会使信号具有着较为明显的色散情况，不能够以较为有效的方式进行辐射，并在该点附近会出现较强的反射情况。而当其工作频率在此基础上继续提升时，TM01与TM01则会具有着共存的状态，并因此时信号传输的方向图出现了多瓣的情况。对此我们得到仿真之后的S11参数，如图3所示。

从该参数图中可以看到，在C段位置，天线在输入端口方面所具有的反射情况较小，且天线处于良好的工作状态。其中，4.484GHz位置所具有的反射情况最小，对此，我们可以通过对外导体半径进行调整的方式使其所具有的最小反射点进行变化。而在进一步的研究后，我们可以得到该天线在phi=90 ？觷时，该辐射器所具有的方向图，如图4所示。

1.2.2 带单反射面的Vlasov天线

经过上述研究我们可以了解到，对于以斜切或者阶梯形状的端口来说，其在轴对称模式下，所具有的辐射方向性虽然相比以往有着一定的提升，但是在端口上端的信号发射射线方面依然具有着较为发散的特点，并因此在方向性上存在着一定的不足。为了能够使该种情况得到一定的改进，我们则可以在原有端口的斜切或者接地上方加设一个焦线位于波导轴线上的抛物柱面，并以此形成了一种具有单反射面特点的Vlasov天线，其模拟结构图如图5所示。

在该种模式下，该天线在phi=90 ？觷时，该辐射器所具有的方向图，如图6所示。

同之前没有经过改造的方向图相比，该种该方式在增益方面具有了较大的提升，且在波束方面也变得更窄。可以说，经过该项改造，使天线所具有的信号发射性能得到了较大的提升。

1.2.3 带二级反射面的Vlasov天线

在经过单反射面改造之后，天线则能够使信号波束在单方向上得到了变窄。在此基础上，要想进一步获得更好的增益效果，则可以在单反射面基础上加置二级反射面，如图7所示。

该天线是在之前单反射面改造基础上，再加置一个抛物柱面所形成的，其在天线phi=90 ？觷的情况下所具有的方向图，如图8所示。

可以看到，其在最大方向增益达到了20.6 dB，同单反射面相比具有了更大的提升。

2 结 语

在现今社会对信号传输的要求逐渐提升的情况下，对于微波天线的设计与研究则成为了一项非常重要的工作。在上文中，我们对Vlasov天线的设计与仿真进行了一定的研究，并获得了一定的研究成果，具有一定的实际应用意义。

参考文献：

[1] 赵春喜.串馈结构的微带天线的设计[J].科技信息，2010，（26）.

[2] 王志敏.微带天线宽频带小型化研究[J].成都大学学报（自然科学版），2011，（1）.

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[4] 高向军，王光明，朱莉，等.宽带圆极化微带天线的设计[J].无线电通信技术，2007，（1）.

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