變阻抗TEM喇叭天線設(shè)計(jì)中末端端口阻抗問題的研究

張揚(yáng)　楊丹　劉雪明

摘 要： 恒阻抗TEM喇叭天線的上、下板之間的間距、板的寬度沿天線軸向呈線性漸變，且喇叭天線的驅(qū)動(dòng)端口、末端端口的寬高比相同。與恒阻抗TEM喇叭天線不同，指數(shù)漸變型TEM喇叭天線上下極板之間的間距沿軸向呈指數(shù)漸變。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)指數(shù)漸變型TEM喇叭的極板寬度采用不同的漸變形式時(shí)，極板寬度線性變化型TEM喇叭天線的駐波比最佳，主射方向遠(yuǎn)場(chǎng)脈沖峰峰值最大。當(dāng)天線軸向長度、末端端口高度一定時(shí)，天線主射方向遠(yuǎn)場(chǎng)脈沖峰峰值隨著天線末端端口寬度的增大而增大；當(dāng)末端端口寬度達(dá)到一定值時(shí)，脈沖峰峰值達(dá)到最大值，繼續(xù)增大末端端口寬度，脈沖峰峰值減??；當(dāng)天線主射方向遠(yuǎn)場(chǎng)脈沖峰峰值達(dá)到最大值時(shí)，天線末端端口阻抗值為215 Ω。

關(guān)鍵詞： TEM喇叭； 阻抗； 脈沖峰峰值； 超寬帶

中圖分類號(hào)： TN92?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2015）18?0039?03

Abstract： The separation distance between upper and lower plates， and the width of plates of TEM horn antenna with constant impedance changes linearly along the axial direction， while the wide ratio of driver port and terminal port is the same. Different from constant impedance TEM horn antenna， the plate distance between upper and lower plates of the exponential tapered TEM horn antenna is exponentially graded along the axial direction. It is found in the research that when the different plate width gradient forms of exponential tapered TEM horn antenna are adopted， the best standing wave ratio and its VPP（peak to peak value of the far?field pulse in the axial direction） are the best. If the antenna length along the axial direction and the height of end port is a constant value， the TEM horn antennaVPP changes with the width of end port. When the end port impedance is 215 Ω， the VPP is the maximum.

Keywords： TEM horn； impedance； pulse peak value； ultra?wideband

0 引 言

超寬帶天線技術(shù)[1?4]最早可追述到20世紀(jì)50年代，美國伊利諾伊大學(xué)的V.H. Rumsey 與 J.D. Dyson提出了非頻變天線 （Frequency Independent Antennas）的概念，隨后出現(xiàn)了等角螺旋天線、阿基米德螺旋天線和對(duì)數(shù)周期天線等形式。超寬帶天線還包括偶極子天線、環(huán)天線、V錐天線、雙錐天線、波紋喇叭天線、拋物面天線、Vivaldi天線、TEM喇叭天線、微帶天線等天線形式。由于超寬帶天線具有工作頻帶寬的特性，在寬帶通信、軍事電子對(duì)抗、電磁兼容、遙測(cè)、反隱身、微波武器等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。

TEM喇叭由于其結(jié)構(gòu)特性，具有寬頻帶、方向性好、增益高、高功率容量等特性，因此得到了廣泛的應(yīng)用。1982年，Kanda通過對(duì)喇叭天線進(jìn)行阻抗加載[5]，減小了電磁波在天線末端端口的反射從而提高了天線的工作頻帶。但是這種阻抗加載的方式會(huì)消耗一部分電磁波能量，降低了天線主軸方向的遠(yuǎn)場(chǎng)脈沖峰峰值。Chien?ping Kao等人基于最優(yōu)匹配公式[6]，設(shè)計(jì)了不同末端端口阻抗的TEM喇叭天線（極板間距呈線性漸變，極板寬度按最優(yōu)匹配公式變化），仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，比較反射系數(shù)，末端端口阻抗為200[Ω]的天線小于末端端口阻抗為377[Ω]（自由空間波阻抗）的天線。但是，這些不同末端端口阻抗[7]的天線的軸向長度不同，不能確定天線輻射性能的改善是由于天線軸向尺寸的改變還是末端端口阻抗的改變。本文通過對(duì)指數(shù)漸變型TEM喇叭天線[8?9]的仿真分析，得出當(dāng)天線的軸向尺寸固定時(shí)，天線主射方向的遠(yuǎn)場(chǎng)脈沖峰峰值與天線末端端口寬度的關(guān)系，給出了最佳末端端口阻抗。

1 TEM喇叭天線工作原理

TEM喇叭天線[10?11]一般由上、下2塊呈線性漸變或指數(shù)漸變的極板組成，2塊極板相互分離，由同軸線饋電。在饋電點(diǎn)處，由于同軸線特性阻抗與TEM喇叭天線特性阻抗不匹配，流經(jīng)同軸線的電流轉(zhuǎn)化為電磁波向外輻射。電流流經(jīng)TEM喇叭天線的極板，在極板之間形成磁場(chǎng)，磁場(chǎng)方向平行于兩極板之間的對(duì)稱面；TEM喇叭天線的上、下極板之間存在電壓差，在極板之間形成電場(chǎng)，電場(chǎng)方向垂直于兩極板之間的對(duì)稱面。于是，兩極板之間的電場(chǎng)、磁場(chǎng)形成TEM波向外輻射。

2 TEM喇叭天線設(shè)計(jì)與仿真

標(biāo)準(zhǔn)TEM喇叭天線（如圖1所示）由上、下對(duì)稱的2個(gè)三角板組合而成，無限長標(biāo)準(zhǔn)TEM喇叭天線具有恒定特性阻抗，阻抗帶寬寬；標(biāo)準(zhǔn)TEM喇叭天線饋電端口寬高比、末端口徑寬高比相等，即[w1h1=w2h2]。標(biāo)準(zhǔn)TEM喇叭天線上、下極板間間距與極板寬度沿軸向方向線性漸變。

2.1 天線設(shè)計(jì)

為了提高天線輻射性能，可采用上、下極板間距沿軸向呈指數(shù)漸變的TEM喇叭天線（見圖2），此時(shí)，TEM喇叭天線極板寬度可采用不同的漸變形式，如線性漸變型、指數(shù)漸變型、拋物漸變型等（見圖3）。為分析TEM喇叭天線極板寬度漸變方式對(duì)天線性能的影響，對(duì)3種漸變形式的天線進(jìn)行建模仿真，分析其輻射特性。

設(shè)計(jì)的TEM喇叭天線見圖2（a），該天線采用50[Ω]同軸線饋電，同軸線漸變結(jié)構(gòu)見圖2（b），采用這樣的漸變結(jié)構(gòu)有利于減小饋電結(jié)構(gòu)的反射，提高輻射效率。

2.2 結(jié)果分析

圖4表示3種類型TEM喇叭天線的駐波比曲線。由圖4可以看出，指數(shù)漸變型TEM喇叭天線和拋物漸變性TEM喇叭天線的駐波比在0.8 GHz附近大于2，線性漸變型TEM喇叭天線的駐波比曲線最優(yōu)，輻射性能最好。

圖5表示3種類型TEM喇叭天線的主射方向遠(yuǎn)場(chǎng)脈沖信號(hào)曲線。由圖5和表1可以看出，線性漸變型TEM喇叭天線的主射方向遠(yuǎn)場(chǎng)脈沖峰峰值為0.261 V/m，大于另外2種TEM喇叭天線。

3 末端端口阻抗

3.1 平行板特性阻抗

3.2 末端端口阻抗

采用以上所示的線性漸變型TEM喇叭天線，分析天線末端端口阻抗與天線主射方向遠(yuǎn)場(chǎng)脈沖峰峰值的關(guān)系。圖6表示天線其他結(jié)構(gòu)參數(shù)一定下，天線的主射方向遠(yuǎn)場(chǎng)脈沖峰峰值與天線末端端口的極板寬度W的關(guān)系曲線。由圖6 可以看出，天線的遠(yuǎn)場(chǎng)脈沖峰峰值隨著極板寬度W增大而增大，當(dāng)W取31 cm時(shí)，天線的遠(yuǎn)場(chǎng)脈沖峰峰值達(dá)到最大值0.263 V/m，然后W繼續(xù)增大，脈沖峰峰值開始減小。遠(yuǎn)場(chǎng)脈沖峰峰值最大時(shí)的脈沖信號(hào)如圖7所示。

將[wd]=0.71帶入平行板特性阻抗公式可得天線末端端口阻抗為215 Ω。當(dāng)末端端口阻抗為215 Ω時(shí)，天線的主射方向遠(yuǎn)場(chǎng)脈沖峰峰值最大。

4 結(jié) 語

由數(shù)值仿真結(jié)果和分析可以看出，采用50[Ω]同軸線饋電，變阻抗TEM喇叭天線軸向方向長度一定時(shí)，不同形式的極板寬度漸變模式對(duì)天線的輻射性能影響不同，極板寬度線性漸變型TEM喇叭天線的駐波比最小，主射方向遠(yuǎn)場(chǎng)脈沖峰峰值最大；同時(shí)研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)天線軸向長度一定且天線上下極板間距漸變形式相同時(shí)，末端端口阻抗為215 Ω的變阻抗TEM喇叭天線的主射方向遠(yuǎn)場(chǎng)脈沖峰峰值最大。本文對(duì)于上述現(xiàn)象進(jìn)行了分析，為超寬帶TEM喇叭天線的設(shè)計(jì)提供了參考。

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