无线电波发射功率防爆要求与检测方法

现行国家标准GB/T 3836.1—2021《爆炸性环境第1部分:设备通用要求》和国际标准IEC 60079-0:2017《Explosive atmospheres-Part 0:Equipment-General requirements》规定无线电发射器的阈功率为无线电发射器的有效输出功率与天线增益的乘积。在无线电波防爆安全发射功率阈值一定的条件下,天线增益越大,无线电发射器的有效输出功率就越小,这将限制通过增大天线增益,提高无线传输距离。因此,有必要对国家标准GB/T 3836.1—2021和国际标准IEC 60079-0:2017中规定的阈功率的正确性进行研究,提出合理的无线电波发射功率防爆要求与检测方法。提出了无线电波防爆安全发射功率与天线增益无关,国家标准GB/T 3836.1—2021和国际标准IEC 60079-0:2017规定的无线电发射器的阈功率是错误的。提出了煤矿井下无线电波防爆安全发射功率阈值应大于16 W,且与天线增益无关;国家标准GB/T 3836.1—2021和国际标准IEC 60079-0:2017规定阈功率不得大于6 W,且与天线增益相关,是错误的。提出了无线电波防爆安全性能检测方法——检测无线电发射器输出功率,这既可保证通过检测的防爆无线电设备的防爆安全,又简化了检测方法,更提高了防爆无线电设备的无线电波发射功率,解除了对天线增益的限制,将大大提高煤矿井下防爆无线电设备的无线传输距离。

用于油气井RFID扶正器激活的阅读器共形天线设计

基于油气井井下环境的特点,为实现井下扶正器的远程控制,同时改正射频识别(RFID)阅读器天线电磁波强度衰减过大、辐射性能差等缺陷,设计一种共形于井下管道的RFID扶正器阅读器偶极子天线。依据天线设计的基本理论,利用天线弯折技术,将该天线结构设计为倒“U”型,实现与套管相共形;通过仿真扫频分析优化天线参数,分析天线主要结构对性能的影响。结果表明,设计的天线最终的中心频率为860 MHz,在该频率下天线输入端口反射系数为-21.05 dB,增益为2.2 dB,天线尺寸为11 mm×148.44 mm,天线的性能满足设计需求,可用于套管扶正器等井下工具的无线控制。

用于微波无线输能的高增益柔性天线研究

为克服传统有线供能方式的接入不便问题,提出了一种用于5.8 GHz微波无线输能(MWPT)高增益柔性天线。天线以聚酰亚胺(PI)为基底,采用广义迭代设计方法得到3层圆环结构,并选用共面波导(CPW)方式馈电。此外,为提高天线增益,在天线背面加载空气层和柔性反射板,并对天线性能进行了测试。测量结果显示:该天线在频率5.8 GHz处的峰值增益为9.51 dBi;当天线弯曲在曲率半径为85,60,45 mm时,增益始终保持在8.89 dBi以上,S_(11)幅值始终小于-10 dB。最后,通过微波无线输能实验测得该天线最大能量捕获效率可达71.3%,在弯曲状态下也能保持59%以上的捕获效率。该天线的高增益、高能量捕获效率以及稳定性证明了其在微波无线输能中具有潜在的应用价值。

脉冲宽度对高功率微波阵列天线辐射特性的影响

为了研究馈入脉冲波形的脉冲宽度(脉冲半高宽)对高功率微波阵列天线辐射特性的影响,以L波段(1.575 GHz)高功率微波波导缝隙阵列天线为例,首先从理论分析、数值仿真方面研究不同馈入脉冲波形脉宽对阵列天线辐射增益和辐射脉冲脉宽的影响,然后根据仿真模型加工制作了一款由4根波导组成的宽边纵缝阵列天线,并将波导缝隙阵列天线结合功分网络与吉瓦级微波源(高功率微波磁控管)连试,开展了高功率微波辐射实验。数值仿真结果表明,当馈入的L波段微波脉冲脉宽约为10 ns时,阵列天线辐射增益比连续波馈入时的增益减小2.2 dB,脉宽展宽2.6 ns;当馈入脉冲波形脉宽约为15 ns时,阵列天线时域增益比连续波馈入时的时域增益减小1.5 dB,脉宽展宽1.9 ns。高功率微波实验结果表明,与辐射场脉宽为9.6 ns的高功率微波相比,辐射场脉冲脉宽为15.65 ns的高功率微波功率密度提升了3.1 dB。

超表面宽带天线的仿真与设计

仿真设计了一款基于超表面的宽带贴片天线,通过在矩形辐射贴片上刻蚀“工”字型缝隙展宽了天线的带宽,在不改变天线尺寸和工作频段的基础上,距离天线介质基板为H的正上方加载了5×5正方形单元结构组成的单层超表面,改善了天线的阻抗匹配,提高了天线的增益。仿真结果显示,该天线的工作频段为4.7~7.9 GHz,带宽为3.2 GHz,实现了宽带化,在工作频段内辐射方向稳定,最大增益达到了6.83 dBi。

一种和差波束可重构的微带贴片天线

本文设计了一种工作在TM03模式的单层方形和差波束可重构的开槽微带贴片天线。该天线由同轴探针馈电,没有复杂的和差网络和馈电结构。顶层辐射贴片上三个平行排布的矩形槽用于和波束方向图的旁瓣降低和增益增强。槽两侧的八个金属过孔用于产生差波束。底层金属地上设计了简单的二极管开关控制电路用于实现和波束与差波束的切换。测试结果表明,该和差波束天线的中心工作频率为3.53 GHz,-10 dB阻抗带宽为1.4%,和波束的增益为11.35 dBi,旁瓣电平为-22.9 dB,半功率波束宽度为45°,差波束的增益为9.62 dBi,零深深度为-17.95 dB。本文提出的和差波束可重构微带贴片天线结构紧凑,低剖面、高增益,且具有良好的辐射特性,易于在PCB板上与其他平面电路集成。

一种高增益超薄柔性可穿戴天线阵列设计

为克服微带天线增益较低的限制并提高天线的整体性能,基于聚酰亚胺材料和十字形单元,提出并设计了一种超薄柔性可穿戴的高增益天线阵列。该天线阵列由16个十字形天线单元均匀分布在4×4的拓扑结构中组成,体积为72 mm×72 mm×0.4 mm,最大增益可达9.7 dBi,天线单元工作频段为5.75~5.83 GHz,中心频率为5.8 GHz,相比于现有文献的微带天线平均增益提升了3.87 dB。对天线阵列进行了实物制作及测试,测试结果与仿真结果吻合较好,证明了该设计方案的可行性和实用性。

一种全透明宽带高增益离子液体透镜天线

基于5G美化移动基站和军用领域中光学/微波多模复合制导隐身等对天线光学透明和易伪装隐蔽的现实需求,本文设计了一种全透明宽带高增益离子液体天线。天线由离子液体,椭球透镜容器,锥形辐射引向器,以及带有透明导电膜的反射地板组成。首先,利用介质透镜上对频率的无选择性使得天线获得宽带特性。其次,通过使用低损耗离子液体和椭球透镜结构,使得液体介质透镜产生一个同相射线场,从而可以产生极强的方向性。最后,在液体介质周围加载一个锥形辐射引向器,使得辐射波束进一步集中,从而提高增益。此外,通过在天线的背面加载透明导电膜反射地板,进一步降低了后瓣,并且使整个天线呈现了光学全透明的效果。仿真和实验表明,天线工作在9.9 GHz~18 GHz(S11≤-10 dB)频带范围,最大实测增益可达12.1 dBi。天线在雷达探测、5G基站、电子对抗以及透明电子产品等领域中具有广泛的应用前景。

偶极子对激发的宽带平面端射高增益天线

文中提出了一款单向辐射特性的微带缝隙结构双偶极子宽带天线。该天线由阶梯型缝隙结构、共面双偶极子和5组引向器构成。阶梯型缝隙结构用于改善阻抗匹配,拓展了天线的带宽;共面双偶极子改善了天线的辐射特性;引向器提高了天线的增益。仿真和实测表明,该天线的相对带宽为66.4%(5.78 GHz~11.53 GHz),带内前后比为15.7 dB~27.4 dB、增益为8.4 dBi~11.9 dBi,并且天线的交叉极化低、辐射方向图稳定。该天线的良好性能使其在无线通信和雷达领域的应用具有极强的吸引力。

山体对于宇宙低频总功率实验的影响

该文主要分析实验天线所在周围山体对低频全天总功率实验提取中性氢21cm信号的影响。基于涵盖山体的高度、倾斜角、山体的组成成分及其一致性和山体到天线的距离等多种因素的模型,利用基于矩量法的混合数值模拟算法对山体影响进行一系列的电磁场传播的模拟计算,并进一步分析这些因素对天线增益和中性氢信号提取的影响。研究结果表明,山体的特征,包括其高度、与观测点的距离、倾斜角、构成材质和表面成分的一致性,不仅对天线的增益产生影响,而且会对后续中性氢信号的多项式拟合提取产生影响。当山体相对于天线的视角越小,则对天线增益的影响越小;山体错落排列比规则环状山体对天线增益扰动更大。而对于再电离信号的提取,各向异性的山体成分和山体错落排列都会影响多项式前景扣除的精度,进而干扰再电离信号的提取。

独立式北斗机载导航天线适航要求及关键指标分析

北斗卫星导航系统在民航领域的应用已进入“机载导航应用”阶段,与“仅用作定位追踪”阶段相比,此阶段对机载卫星导航系统的要求更为严格。然而,在独立式北斗机载导航天线方面,目前国内仅有“仅用作定位追踪”的标准(CTSO-2C604a)可供参考,无法满足“机载导航应用”阶段对天线的适航要求,同时由于目前应用广泛的GPS信号与北斗信号体制不同,其相关标准也无法完全符合独立式北斗机载导航天线要求。为此,文中针对机载导航天线的技术特点,对当前国内外相关标准进行了综合分析,并考虑了适用性、安全性、当前紧迫需求以及未来发展方向,研究了独立式北斗机载导航天线的关键指标,并提出了相应的修订方案。通过研究建立了一套机载导航天线的指标要求和标准体系,旨在为独立式北斗机载导航天线设计提供必要的工业支持。

多项式拟合技术在天线增益测量中的应用研究

文中简述了多项式拟合的基本原理公式,提出利用多项式拟合技术确定天线增益频段特性和大型口径天线不同仰角增益的方法。在比较法增益测量中,标准喇叭的增益常为已知的离散校准值,利用高频、低频和两个中间频点的增益值拟合了标准喇叭增益的解析式,非拟合点的增益计算结果同已知的标准喇叭增益校准值吻合很好,证明了该方法的有效性。最后,简述了多项式拟合技术在S波段8.54 m气象雷达天线增益测量及大型射电望远镜天线不同仰角增益测量中的应用。

超材料加载的高增益Vivaldi天线

文中研究了一款超宽带对拓式Vivaldi天线。为了提高其增益,设计了一款具有非谐振式特性的超宽带人工电磁超材料单元,将此单元与对拓式Vivaldi天线集成后,可以在不影响天线效率及回波损耗的特性下提高天线增益,实测最高可提高2.5 dB。天线尺寸为0.9250λ×0.6500λ×0.0083λ,实测阻抗带宽为2.5 GHz~20.0 GHz,可达8个倍频程,在15 GHz时实测增益可达到9.56 dBi。天线实测与仿真结果基本吻合。在主要工作频带内,天线呈现较好的定向辐射效果,可应用于电磁兼容测试、探地雷达测试、超宽带无线传输系统、微波脑检测系统等领域。

双槽对拓式Vivaldi超宽带天线设计

为了解决传统对拓式Vivaldi天线在低频段带宽不足和整个频段内辐射增益低等缺点,文中设计了一种结构新颖的双槽对拓式Vivaldi超宽带天线。该天线采用对拓双槽的形式,内槽线曲率大于外槽线曲率,内槽线长度小于外槽线长度,介质基板两侧内辐射臂通过通孔连接,拓宽了天线的低频带宽,提高了天线的辐射性能;另外在天线外侧辐射臂添加指数凹槽,使低频电流流径得到了增加,进一步拓宽了低频带宽,减小了天线的尺寸;使用指数超宽带功分器进行馈电,提高了天线的抗干扰性能。仿真和实测结果表明,该天线最高增益为10.8 dBi,增益曲线平坦,具有良好的阻抗匹配特性,在2 GHz~18 GHz的频带范围内辐射特性良好,可以实现超宽带传输。

用于高功率微波系统的全介质透镜阵列天线

为了实现透镜阵列天线所需的移相范围,设计了两种不同的单元结构,通过优化参数,在保证良好的传输幅值的基础上实现相移范围的互补。为了探索在高功率微波系统应用,对两种单元的功率容量也开展了详细研究。在无限周期情况下,随着单元尺寸变化,单元功率容量范围为1.08~19.37 MW;通过研制口径为315 mm×315 mm的透镜天线来构建有限周期条件,并仿真计算得到该天线最大功率容量为226.553 MW,功率密度可以达到2283.23 W/mm^(2),并且该天线在中心频点10 GHz处峰值增益可达到29.37 dBi,口径效率为62.43%,副瓣电平约为-21.54 dBi。结果表明所提出单元的有效性与正确性,也说明设计的透镜阵列天线不仅具有良好的辐射特性,同时具有MW量级的功率容量。

VICTS天线的增益补偿方法研究

VICTS天线显著的低剖面、高增益和宽波束等优点使其在移动通信领域具有巨大应用潜力。本文阐述了VICTS天线的结构特点和波束扫描形式,推导了各层圆盘的角度变换关系。结合天线的实测增益变化曲线,设计了基于分段多项式拟合的增益补偿方法,经该方法补偿后的增益变化约为0.15 dB。三轴摇摆试验结果显示,摇摆过程中场强信号稳定,波动最大约0.25 dB,满足VICTS天线的动态使用需求。

毫米波高增益折叠透射阵列天线设计

文中设计了一款低剖面的毫米波高增益折叠透射阵列天线。该天线将兼具极化选择和相位全覆盖调控性能的超薄透射型超表面,与具有极化扭转特性的反射型超表面结合,采用π/4相位补偿步长,在实现低剖面的同时提高了天线增益。实验表明:所设计天线在94 GHz增益为35.7 dBi,口径效率为47.4%,3 dB增益带宽为22%。该设计克服了毫米波天线难以兼顾低剖面和高效率的限制。

基于深度学习的载体滚转角估计方法研究

姿态测量技术是载体运动状态和安全监测的基础.载体自旋运动使得飞行器各姿态角之间互相耦合,对载体的飞行控制带来严重影响.针对载体滚转下GNSS信号入射方向周期性变化特征,本文提出一种长短期记忆(long short term memory,LSTM)神经网络的深度学习方法,以确定载体的实时滚转角.通过对载体滚转状态下单天线接收卫星信号能量特征的分析,得到载体实时滚转角与接收信号能量幅值关联变化模型,并分析了卫星在轨运行时其空间位置改变对该模型的影响;然后采用LSTM神经网络方法对实测信号中的周期性变化特征进行训练,得到网络各项参数;最后将训练参数用于对实时接收的信号能量进行预测及降噪,并将预测结果通过模型匹配进行载体实时滚转角测算.为验证文中所提出方法的性能,开展了对天滚转实验.实验结果表明:LSTM深度学习方法可还原复杂的信号能量特征,并实现实时载体滚转角测算.

高增益圆极化八木阵列天线设计与实现

针对现代战机超视距监测系统对远距离通信及目标监测等功能的需求,设计并实现一种高增益圆极化八木阵列天线。天线单元基本结构由两个微带准八木天线正交放置组成,形成圆极化。对天线进行2×2组阵,使得天线左旋和右旋增益均有所提高,同时为组阵后的天线设计具有左旋圆极化和右旋圆极化两个端口的馈电网络。利用有限元法软件和矩量法软件对所设计的天线和馈电网络进行仿真与优化,得到天线的各项参数数值,进行实物加工与测试。测试结果表明,所设计天线的阻抗带宽达到400 MHz(2.08~2.48 GHz),相对带宽达到17%,天线的左旋和右旋增益最大值达到14 dBi,3 dB波束宽度均大于34°,满足超视距监测系统功能需求。

基于分类学习器的超材料微带天线高增益性能逆设计

超材料微带天线在通信、雷达等领域有着重要应用。首先,通过仿真获得了852组数据样本,根据与电磁特性的映射关系建立由参数到性能的数据库,得到了852组样本点并验证该样本点的微带天线的增益、E面半功率波瓣宽度和H面半功率波瓣宽度绝对误差均小于2 dB;其次,基于分类学习器和人工神经网络建立样本点的6个结构几何参数与3个性能参数的关系数据模型,得到的训练集、验证集、测试集的均方误差均小于1%;最后,基于人工神经网络数据模型实现了超材料微带天线高增益性能的逆设计,并对逆设计得到的非样本点结果进行天线性能的重分析。结果表明,非样本点的增益性能真实值与验证值的绝对误差不超过1 dB,这也验证了所提设计具有较高的精准性和可行性。