對(duì)數(shù)周期陣列天線低頻增益優(yōu)化仿真分析

鄒愛華，徐長(zhǎng)武

（1.泛亞汽車技術(shù)中心有限公司，上海 201201；2.上海保隆汽車科技股份有限公司，上海 201619）

對(duì)數(shù)周期陣列天線低頻增益優(yōu)化仿真分析

鄒愛華1，徐長(zhǎng)武2

（1.泛亞汽車技術(shù)中心有限公司，上海 201201；2.上海保隆汽車科技股份有限公司，上海 201619）

利用計(jì)算機(jī)電磁仿真軟件，通過(guò)仿真試驗(yàn)結(jié)果分析，對(duì)小型對(duì)數(shù)周期陣列輻射抗擾測(cè)試天線進(jìn)行低頻段（60 ～200 MHz）增益補(bǔ)償。優(yōu)化后的小型對(duì)數(shù)周期陣列輻射抗擾測(cè)試天線測(cè)試數(shù)據(jù)與仿真預(yù)期基本相符。仿真數(shù)據(jù)和實(shí)際測(cè)試數(shù)據(jù)表明：優(yōu)化后的小型對(duì)數(shù)周期陣列天線從60 MHz頻率開始具有良好的電場(chǎng)特性，可以有效運(yùn)用于汽車零部件和子系統(tǒng)的輻射抗擾測(cè)試。

偶極子；單極天線；對(duì)數(shù)周期陣列天線（LPDA）；垂直極化；仿真分析

無(wú)線電波是指在自由空間傳播的射頻頻段的電磁波，天線在通信、雷達(dá)、導(dǎo)航、廣播等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，無(wú)線電波的發(fā)射和接收都需要由天線來(lái)實(shí)現(xiàn)［1］。對(duì)數(shù)周期陣列天線是一種寬帶定向天線，這種天線具有方向性好、頻帶寬、有一定增益等優(yōu)點(diǎn)，其中應(yīng)用廣泛的典型結(jié)構(gòu)是由偶極子構(gòu)成對(duì)數(shù)周期振子。電磁波場(chǎng)強(qiáng)輻射抗擾測(cè)試廣泛運(yùn)用于汽車零部件和子系統(tǒng)驗(yàn)證測(cè)試，有些設(shè)備制造商（OEMs）可能需要從100 MHz甚至更低頻點(diǎn)開始執(zhí)行測(cè)試。目前，測(cè)試通常是在半電波暗室，要求天線到零件正面距離為1m，例如遵守國(guó)際無(wú)線電干擾委員會(huì)CISPR25的暗室。為滿足從低頻60 MHz開始的垂直極化能力達(dá)到100 V/m的輻射電磁波場(chǎng)強(qiáng)，需要采用大尺寸的天線，而在小暗室使用大尺寸天線不符合國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)組織的ISO11452-2［2］要求。本文主要通過(guò)計(jì)算機(jī)電磁仿真結(jié)果設(shè)計(jì)低頻段（60～200 MHz）增益補(bǔ)償?shù)男⌒蛯?duì)數(shù)周期陣列輻射抗擾測(cè)試天線，該天線低頻段的垂直極化能力達(dá)到100 V/m。

1 對(duì)數(shù)周期陣列天線基本參數(shù)

對(duì)數(shù)周期陣列天線設(shè)計(jì)的目的是具有很寬的帶寬。理論上可達(dá)到的帶寬是無(wú)限的。然而，帶寬實(shí)現(xiàn)依賴于天線結(jié)構(gòu)的尺寸和天線的精度，大尺寸天線具有較低工作頻率以及更精確的高頻特性。對(duì)數(shù)周期陣列天線能夠很好地提高整體增益和提供分集接收能力［3］。

圖1 典型對(duì)數(shù)周期陣列天線

對(duì)數(shù)周期陣列天線是由幾個(gè)不同長(zhǎng)度和位置的偶極子振子［4-5］構(gòu)成，如圖1所示。在實(shí)際的應(yīng)用中，為了增強(qiáng)天線的方向性，提高增益，獲得更高的功率，可以采用將對(duì)數(shù)周期陣列天線進(jìn)行組陣的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。將對(duì)數(shù)周期陣列天線在空間范圍內(nèi)按一定角度進(jìn)行組陣，可以大大增加天線的發(fā)射接收功率，擴(kuò)寬天線有效頻率范圍，提高天線增益。一個(gè)精心設(shè)計(jì)的對(duì)數(shù)周期陣列天線需要滿足以下要求：寬的帶寬，低電壓駐波系數(shù)（VSWR），平坦的高增益和良好的方向性。它可獲得增益超出全向輻射器近9.5 dB。

對(duì)數(shù)周期陣列天線頻率與電參數(shù)無(wú)關(guān)，例如阻抗R0，饋線特性阻抗Z0，以及導(dǎo)納Y0，而是隨著頻率的對(duì)數(shù)呈周期性變化。例如，低頻點(diǎn)f1，變化為帶寬范圍內(nèi)的頻率f2，則f2= f1/τ， τ為周期常數(shù)，τ<1.0，則

如圖2所示，周期常數(shù)τ取決與振子的長(zhǎng)度L， 以及振子間距d，S 是槽間距，Zo天線饋線阻抗。

圖2 對(duì)數(shù)周期陣列天線模型

偶極子長(zhǎng)度Ln=τ/（n-1）

周期常數(shù)τ計(jì)算如下

式中：Ln——第n個(gè)振子的長(zhǎng)度；dn——第n個(gè)振子與第n-1個(gè)振子的間距。

小型對(duì)數(shù)周期陣列天線增益可由周期常數(shù)τ及間隔因子σ求出

小型對(duì)數(shù)周期陣列天線由2個(gè)對(duì)數(shù)周期陣列天線組成，增益可以提高3～5 dB［6］.

2 優(yōu)化后小型對(duì)數(shù)周期陣列天線

根據(jù)上述天線設(shè)計(jì)方法，采用不同長(zhǎng)度陣列組成對(duì)數(shù)天線可以提高頻率范圍，因?yàn)樘炀€帶寬范圍與周期常數(shù)τ有關(guān)，天線的輸入阻抗取決于偶極子的特性阻抗。

因此，采用電磁仿真軟件仿真得到比原始小型對(duì)數(shù)周期陣列天線（圖3）更加優(yōu)化的偶極子振子長(zhǎng)度。小型對(duì)數(shù)周期陣列天線有4個(gè)對(duì)數(shù)天線：L（1）、 L（2）、L（3） 和 L（4） 。優(yōu)化低頻增益所需對(duì)應(yīng)的振子為L(zhǎng)（1，4）1、 L（1，4）2 和L（2，3）1（圖4）。對(duì)于原始對(duì)數(shù)周期陣列天線，L（1，4）1和L（2，3）1 頻率大約在 200 MHz，L（1，4）2 頻率大約在 220 MHz。這些振子呈幾何對(duì)稱分布，L（1，4）1和L（2，3）1長(zhǎng)度為454 mm ， L（1，4）2長(zhǎng)度為375 mm。

圖3 原始小型對(duì)數(shù)周期陣列輻射抗擾測(cè)試天線

圖4 原始小型對(duì)數(shù)周期陣列輻射抗擾測(cè)試天線需要優(yōu)化的振子

原始小型對(duì)數(shù)周期陣列天線的有效頻寬是200 MHz～4 GHz。優(yōu)化后小型對(duì)數(shù)周期陣列天線低頻擴(kuò)寬為60～200 MHz。如圖4所示，6個(gè)振子［L（1，4）1、 L（1，4）2 和L（2，3）1］決定了優(yōu)化后的低頻帶寬。根據(jù)設(shè)備制造商（OEMs）輻射抗擾要求，需要100～400 MHz垂直極化測(cè)試。因此，我們通過(guò)這6個(gè)振子計(jì)算出長(zhǎng)度［6］，設(shè)計(jì)優(yōu)化后小型對(duì)數(shù)周期陣列天線，如圖5所示。

仿真中，輻射邊界（Radiation）就是一種模擬輻射到空間的無(wú)限遠(yuǎn)處的吸收邊界條件。在輻射邊界表面，二階輻射邊界條件如下［6-7］。

式中：Etan——表面電場(chǎng)的切向分量；k0——自由空間相位常數(shù)

圖5 優(yōu)化后小型對(duì)數(shù)周期陣列輻射抗擾測(cè)試天線

天線的遠(yuǎn)場(chǎng)輻射特性是輻射邊界面上的積分而獲得，所以在輻射邊界上的手動(dòng)網(wǎng)格細(xì)化可以提高天線遠(yuǎn)場(chǎng)輻射特性的計(jì)算精度［7］。圖6為仿真軟件中建立的天線模型。

圖6 優(yōu)化后小型對(duì)數(shù)周期陣列輻射抗擾測(cè)試天線輻射邊界

3 仿真和測(cè)試結(jié)果

根據(jù)計(jì)算機(jī)軟件仿真和計(jì)算結(jié)果（仿真頻率設(shè)置為100 MHz），優(yōu)化后的長(zhǎng)度L（1，4）1’、L（1，4）2’ 和 L（2，3）1’ 大約為720 mm、560 mm 和1140 mm。仿真結(jié)果表明優(yōu)化后天線低頻段60～200 MHz 的電壓駐波比（VSWR）和增益得到顯著提高，200 MHZ～1 GHz的VSWR與原天線基本吻合。

比較VSWR仿真結(jié)果（圖7）和實(shí)際測(cè)試結(jié)果（圖8），原始小型對(duì)數(shù)周期陣列天線在165.7 MHz～1 GHz頻段內(nèi)VSWR值在2.5以內(nèi)，小于165.7 MHz頻段駐波比遠(yuǎn)大于2.5，仿真結(jié)果符合原天線規(guī)格；優(yōu)化后對(duì)數(shù)周期陣列天線與仿真結(jié)果非常接近，在60 MHz～1 GHz頻段內(nèi)VSWR值在2.5以內(nèi)，低頻擴(kuò)頻效果比較理想。

同樣，從最大增益仿真圖看，增益也得到了很大提高。原始對(duì)數(shù)周期陣列天線最大增益是-1.6 dBi，優(yōu)化后對(duì)數(shù)周期陣列天線的增益是2.85 dBi，最大增益提高近4 dBi。如圖9、圖10所示。

為了在實(shí)際環(huán)境中驗(yàn)證仿真的結(jié)果，我們以100 V/m 作為輻射電磁場(chǎng)強(qiáng)度為目標(biāo)在半電波暗室進(jìn)行測(cè)試，圖11為60～200 MHz頻帶內(nèi)場(chǎng)強(qiáng)測(cè)試結(jié)果曲線，優(yōu)化后對(duì)數(shù)周期陣列天線的垂直極化能力達(dá)到100 V/m的輻射電磁波場(chǎng)強(qiáng)。

圖7 原始和優(yōu)化后小型對(duì)數(shù)周期陣列天線的VSWR仿真結(jié)果對(duì)比

圖8 原始和優(yōu)化后小型對(duì)數(shù)周期陣列天線的VSWR實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比

圖9 原始小型對(duì)數(shù)周期陣列天線仿真增益（仿真頻率設(shè)置為100 MHz）

4 結(jié)論

從仿真和暗室數(shù)據(jù)看，仿真軟件建模仿真與暗室實(shí)際測(cè)試數(shù)據(jù)相近，這說(shuō)明優(yōu)化后的低頻段增益補(bǔ)償?shù)男⌒蛯?duì)數(shù)周期陣列輻射抗擾天線設(shè)計(jì)方案是合理的，利用電磁仿真具有一定的指導(dǎo)意義。從60～200 MHz，電壓駐波比VSWR小于2.5：1，增益提高了4.0 dBi，60 MHz頻點(diǎn)開始直極化能力達(dá)到100 V/m的輻射電磁波場(chǎng)強(qiáng)。EMC工程師可以把該天線有效運(yùn)用于汽車零部件和子系統(tǒng)的輻射抗擾測(cè)試。

圖10 優(yōu)化后小型對(duì)數(shù)周期陣列天線仿真增益（仿真頻率設(shè)置為100 MHz）

圖11 100 V/m的輻射電磁波場(chǎng)強(qiáng)實(shí)際測(cè)試結(jié)果

［1］ 王新穩(wěn)，李延平，李萍.微波技術(shù)與天線［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2006.

［2］ ISO 11452-2：2004，Road vehicles-Component test methods for electrical disturbances from narrowband radiated electromagnetic energy-Part 2：Absorberlined shielded enclosure［S］.

［3］ CarreL，The Design of Log-Periodic DipoLe Antennas［G］，1961 IRE InternationaL Convention Record，61-75，Part 1.LLL

［4］ 朱丹丹.天線陣列優(yōu)化研究［D］.武漢：華中科技大學(xué)，2006.

［5］ Larricoals，P. J. B. Propagation and antennas for mobile communications.London Institution of Eectrical Engineers［S］，2003.

［6］ The Log-periodic Dipole Array［OL］ .http：//www.salsburg.com/Log-.

［7］ 謝擁軍，劉瑩，李磊，等.HFSS原理與工程應(yīng)用［M］.北京：科學(xué)出版社，2009.

（編輯 凌 波）

Simulation Analysis on LPDA Low Frequency Gain Optimization

ZOU Ai-hua1， XU Chang-wu2
(1. Pan Asia Technical Automotive Center Co.， Ltd.， Shanghai 201201；2. Shanghai Baolong Automotive Corporation， Shanghai 201619， China)

In this article， an optimized low frequency gain (from 60～200 MHz) of a small log periodic dipole array antenna（LPDA）is presented from the simulation results of the High Frequency Structure Simulator (HFSS)software. The actual results of the optimized small dual stacked LPDA match simulation expectation. Both results prove that this optimized LPDA can apply to the immunity testing for automotive components and sub-system and has a good performance in E-field characteristic from 60 MHz.

dipole；monopole antenna；LPDA；vertical polarization；simulated analysis

U463.673

A

1003-8639（2017）07-0058-04

2017-03-27

鄒愛華（1978-），女，福建人，主要從事汽車電子電磁兼容工作；徐長(zhǎng)武（1983-），男，主要從事汽車電子射頻設(shè)計(jì)工作。