时域脉冲波经线天线辐射的拖尾效应研究

1 概述

       超宽带技术的兴起、发展与研究，解决了无线技术领域的许多重大问题。它是通过直接对冲击脉冲进行调制，从而使信号具有较大的带宽。超宽带技术具有许多优点，如对信道衰落不敏感、发射信号功率谱密度低、系统复杂度低等。由于时域窄脉冲信号具有较大的频谱宽度，所以超宽带天线也可以定义为能够辐射与接收脉冲信号的天线，偶极天线便是其中之一。由于超宽带脉冲信号的频谱都是以GHz为量级的，因此，可以避免其他系统对他的干扰，但同时，如何实现天线的小型化也就成为该项技术的一大难题。

       我们知道，天线产生辐射的根本原因是由于运动电荷产生的时变电流，从等效电路的角度也能解释脉冲信号沿天线的传播过程。一直以来，天线的时域辐射特性受到许多学者的关注。电荷沿天线运动到达天线末端时，由于电荷发生反射现象，因而会导致天线上电流分布的变化，从而在空间辐射的时域波形中会出现拖尾现象。因此，如何抑制或控制信号的畸变，也是天线设计应该考虑的问题。常用的抑制拖尾的方式是在天线上通过加载来实现对反射电荷的吸收。常用的加载方式是加载电阻，但是会导致辐射效率大大降低，于是有学者采用加载阻抗的方式实现达到辐射效率与抑制拖尾之间的平衡。除了加载的方式外，改变天线结构本身也能降低辐射信号的畸变。

       本文从时域的角度研究高斯脉冲电磁波与BPSK调制电磁波经天线辐射后的辐射特性，给出天线辐射过程的理论分析，并通过时域仿真模拟分析，得出天线外远区场点的时域输出波形，对比天线辐射前后信号频谱，探究天线结构对于时域脉冲信号的辐射特性的影响。

2 基本理论和脉冲波产生

       半波偶极天线是结构简单的基本线天线之一，有着广泛的应用。图1给出了中心馈电偶极天线的基本结构。

       如图1所示，本文设置谐振频率为2.4GHz，天线单极长度l=27.3mm，半径a=1mm，总长度为55.6mm，略短于谐振频点所对应的半波长。

       天线的驱动是依靠激励源。为研究不同脉冲信号通过线天线辐射，我们选取了高斯信号与BPSK调制信号作为外部激励信号。

       2.1 高斯信号

       高斯脉冲信号的基本表达式为：

       其中，p=3.52×109，t0=1.39×10-9s。高斯脉冲信号波形如图2所示。

图2 高斯信号

       脉冲半宽高为脉冲幅值下降一半时的脉冲宽度，该高斯脉冲信号的脉冲半宽高为0.44ns。采用快速傅里叶变换方法，得到高斯信号的频谱如图3所示。

图3 高斯信号频谱

       2.2 BPSK调制信号

       BPSK信号是利用偏离相位的复数波浪组合来表现信息键控移相方式，具体实现过程如图4所示。

图4 BPSK调制系统框图

       其中，成型滤波器采用了升余弦滚降滤波器，采用该方式对二进制序列进行波形成型，能够有效的降低码间干扰，提高通信质量。该滤波器的时域表达式表示为：

       式中，α为滤波器的滚降系数，Ts为函数周期。

       载波信号采用初相为0°、频率为2.4GHz的正弦载波。

       输入的二进制码元序列为{0,0,1,1,0,0,0,1,1,1}，下面给出该码元序列经BPSK调制系统不同模块的时域输出波形，如图5所示。

图5 (a)基带码元序列 (b)脉冲成型 (c)BPSK调制信号

3 计算结果图

       3.1 高斯脉冲激励

       以天线相位中心为原点，观察距离半波偶极天线相位中心为1m处不同方向角上的时域辐射信号波形，如图6所示。

图6 远场辐射时域波形图

       从图6中可以看出，水平方向上（θ=90°）辐射波形的峰峰值为0.084V/m，由于远场点距离天线有一定的距离，因此带来幅值的降低。另外，天线辐射具有方向性，而且在距离天线相位中心处，同时有明显的拖尾。通过在天线上加载电阻，达到吸收反射电荷的目的，从而可以有效抑制拖尾现象。本次研究初步采用的方案设置加载电阻大小约为50Ω，加载位置位于单极天线臂中部，仿真结果如图7所示。

图7 加载电阻后远场辐射时域波形图

       与图6相比，图7中时域辐射信号拖尾得到有效抑制，但峰峰值明显降低。结果表明：加载电阻可以抑制拖尾，但同时信号的辐射效率也会有很大衰减。

       下面我们从信号频域的角度来分析天线辐射过程。我们知道，信号传输过程中，必须保持信号频谱的完整才能保证信号不失真。在天线辐射角度θ=90°时，天线辐射信号的频谱如图8所示。

图8 信号频谱图（a）激励信号（b）未加载电阻时的辐射信号频谱（c）加载电阻时的辐射信号频谱

       通过频谱的比较可以发现，拖尾的存在，明显地改变了信号的频谱，同时加载电阻能够改善这种情况，但同样会引起频谱幅度的降低。加载电阻后的频谱更接近理想辐射信号的频谱，由于其形状更接近高斯信号，由傅里叶变换的性质可知，线天线结构对高斯脉冲信号具有一定的微分作用。

       3.1 BPSK调制信号激励

       在以上研究的基础上，研究BPSK调制信号通过线天线辐射的时域特性。BPSK调制信号进行归一化经天线辐射后，在不同方向角上的时域辐射波形如图9所示。

图9 BPSK时域辐射波形

       下面将对偶极天线进行电阻加载，加载电阻大小约为50Ω，加载位置位于单极天线臂中部，加载电阻后天线输出时域辐射信号波形与频谱如图10所示。

图10 BPSK调制信号辐射时域波形

       对比加载前后天线的辐射信号，加载电阻使得辐射信号的波形在形状上更接近激励信号，即能够有效的抑制信号的拖尾效应。另外，在二进制信号“0”和“1”变换处，通过加载电阻可以有效抑制天线对信号的微分效应。

       下面对天线激励信号频谱与天线辐射信号在θ=90°时情况下加载前后的频谱进行比较，如图11所示。

图11 (a)BPSK调制信号辐射时域波形 (b)θ=90°辐射方向上信号频谱

       从图11的频谱对比图中可发现，经天线辐射后，信号的频谱带宽明显降低，说明线天线结构对信号具有一定的滤波效应，且说明本文采用的半波偶极天线为窄带天线。而且，由于辐射的距离较远，因此在远场点接受到辐射信号的幅度也有所降低。同时，由于加载电阻对时域辐射信号的影响，所以加载电阻后，辐射信号的频谱也会有所降低。

4 总结

       本文通过FEKO进行实验仿真模拟，研究了高斯脉冲信号和BPSK调制信号经过线天线辐射在不同方向角上的时域辐射特性。结果表明，线天线结构本身会对信号产生拖尾效应，特别对脉冲信号具有微分作用，拖尾的存在明显改变了原信号频谱。为了达到抑制拖尾的目的，可以采用加载电阻的方式，但以牺牲辐射效率为代价。另外，通过分析BPSK调制波经由偶极天线辐射发现，天线对于原信号具有滤波效应。