一種電磁脈沖測量超寬帶大功率TEM喇叭天線

李其信，高寶建，任宇輝，伍捍東

(1.西北大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院, 陜西 西安　710127;2.西安恒達(dá)微波技術(shù)開發(fā)公司, 陜西 西安　710061)

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一種電磁脈沖測量超寬帶大功率TEM喇叭天線

李其信1，高寶建1，任宇輝1，伍捍東2

(1.西北大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院, 陜西 西安710127;2.西安恒達(dá)微波技術(shù)開發(fā)公司, 陜西 西安710061)

設(shè)計(jì)并加工測試了一款適用于瞬時(shí)大功率電磁脈沖測量的超寬帶TEM波喇叭天線。該天線的饋電部分采用同軸寬帶巴倫,輻射單元由兩片平滑、漸變的金屬曲面組成。為了實(shí)現(xiàn)天線的超寬帶特性,同軸巴倫和輻射單元均采用指數(shù)漸變的形式。而為了提高天線的功率容量，將大功率同軸寬帶巴倫和輻射單元直接相連。仿真和實(shí)測結(jié)果表明該天線在0.5～6GHz頻率范圍內(nèi),其電壓駐波比VSWR≤2,平均增益Gain≥8dB,增益平坦性在±1dB之內(nèi),滿足電磁脈沖測量的基本需求。

超寬帶天線;TEM喇叭;同軸寬帶巴倫

近年來,超寬帶雷達(dá)、超寬帶通信以及超寬帶電磁脈沖武器等應(yīng)用日新月異,而超寬帶電磁脈沖測量天線正是這些應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù),其研究與設(shè)計(jì)也在國內(nèi)外備受關(guān)注[1-3]。對(duì)于超寬帶電磁脈沖測量天線的設(shè)計(jì),除了要求其頻率較寬和較好增益平坦性之外,還要求其能夠承受大功率。常見的超寬帶天線主要有Bowtie天線、Vivaldi天線、雙錐天線、蝶形天線、偶極子天線等[4-7]。其中Bowtie天線往往要設(shè)計(jì)屏蔽腔,結(jié)構(gòu)略顯復(fù)雜；Vivaldi天線具有比較大的交叉極化分量；雙錐天線增益較低；而蝶形天線和偶極子天線承受高功率、高電壓特性較差。綜上分析，文中采用了TEM喇叭天線的形式[8-10],設(shè)計(jì)了一款適用于電磁脈沖測量的超寬帶天線，不僅滿足超寬天線的一般要求,而且還能承受較大瞬時(shí)功率。

研究表明,對(duì)于TEM喇叭天線的設(shè)計(jì),其低頻段的特性往往更具有挑戰(zhàn)性。在VSWR≤2的前提下,文獻(xiàn)[8]中天線的頻率可低至2G左右,文獻(xiàn)[9]通過改變輻射喇叭形式,低頻可做到0.1GHz。但上述設(shè)計(jì)并沒有考慮天線承受功率的性能。文中設(shè)計(jì)的輻射單元和文獻(xiàn)[10]相似,但為了滿足天線功率要求,饋線部分采用大功率同軸寬帶巴倫直接饋電,從而大大提高天線整體功率容量。仿真和實(shí)測結(jié)果表明本文設(shè)計(jì)的天線在0.5～6GHz頻率范圍內(nèi)滿足指標(biāo)要求,可以測量電磁脈沖輻射場的相關(guān)參數(shù)。

1　天線基本結(jié)構(gòu)和指標(biāo)要求

本課題來源于西安恒達(dá)微波技術(shù)開發(fā)公司的在研項(xiàng)目,其主要指標(biāo)要求有:① 頻率:0.5～6GHz;② 電壓駐波比:VSWR≤2;③ 平均增益:Gain≥8dB;④ 增益平坦度:±1dB;⑤ 可承受最大瞬時(shí)功率:500kW。

本文設(shè)計(jì)的TEM喇叭天線主要由同軸寬帶巴倫和輻射喇叭兩部分組成。其中巴倫采用指數(shù)漸變形式切割同軸線的介質(zhì)和外導(dǎo)體,內(nèi)導(dǎo)體保持不變。輻射喇叭包含兩個(gè)逐漸張角的平滑金屬板,分別和巴倫的內(nèi)、外導(dǎo)體相連。天線及巴倫的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　天線基本結(jié)構(gòu)Fig.1　Structure of antenna

2　天線設(shè)計(jì)方法

2.1饋電巴倫設(shè)計(jì)

為了在大功率、超寬頻帶內(nèi)實(shí)現(xiàn)饋線和輻射喇叭的阻抗匹配,本設(shè)計(jì)中的巴倫采用指數(shù)切割方式實(shí)現(xiàn)阻抗變換,并和輻射喇叭直接相連。漸變段某一位置的特性阻抗為[11]:

(1)

其中r,b,θ如圖2所示,εr為相對(duì)介電常數(shù)。

[N4sin2(nθ/2)]/n3Xn},

N2=n2/(n2-k2),

k=1/(1-θ/2π),

Xn=1+coth[nln(b/a)]。

此外,巴倫末端阻抗為:

Z02=

(2)

式中,w為平板寬度,h為平板之間距離。巴倫末端平板寬度即為輻射面起始寬度,等于同軸內(nèi)導(dǎo)體直徑,即w=2r,平板之間距離即為同軸外徑R。

巴倫起始端為50Ω,終端為輻射喇叭?？紤]到天線尺寸及功率容量,通過仿真優(yōu)化，選定巴倫末端的阻抗為150Ω。由此根據(jù)公式(1)和(2)可求得參數(shù)r，b，θ。綜合考慮阻抗變換特性和巴倫尺寸特性,選定L1=0.25λ。

2.2輻射喇叭設(shè)計(jì)

輻射喇叭基本作用:一是將傳輸線上的TEM波輻射到自由空間中,二是實(shí)現(xiàn)同軸寬帶巴倫末端和自由空間的阻抗匹配。本設(shè)計(jì)中,為了得到更加平滑的阻抗變化特性,我們采用指數(shù)形式的漸變結(jié)構(gòu)[12]。

輻射喇叭張面如圖3所示，將輻射喇叭張面分割成N段,每一段看成是一節(jié)平板波導(dǎo),每一節(jié)的特性阻抗為

Z(zi)=Z0exp(kzi)。

(3)

上下輻射喇叭張面對(duì)應(yīng)分段之間的距離為

d(zi)=a[exp(kzi)+c*zi]。

(4)

式中,a的取值由輻射喇叭張面起始端之間的距離決定,k，c的值由輻射喇叭長度及輻射口徑?jīng)Q定。

輻射喇叭張面每一段的寬度w(zi)由每一段處的特性阻抗及高度決定,表達(dá)式為

(5)

由于文中的天線形式為同軸寬帶巴倫和輻射喇叭直接相連,所以由上一節(jié)饋電巴倫的設(shè)計(jì)可知,w0=2r,d0=R?？梢愿鶕?jù)公式(3)～(5)計(jì)算出輻射喇叭在任意長度的寬度w(zi)和間距d(zi)。輻射喇叭的長度由低頻決定,一般選L2≈0.4λ。

根據(jù)上述公式計(jì)算出相關(guān)參數(shù),再通過CST電磁仿真軟件仿真優(yōu)化,最終得到天線的基本參數(shù)如表1所示,表中部分?jǐn)?shù)據(jù)對(duì)低頻波長歸一化。

圖2　同軸寬帶巴倫基本結(jié)構(gòu)Fig.2　Structure of coaxial ultra-wideband balun

圖3　輻射喇叭張面示意圖Fig.3　Structure of tapered plate

參數(shù)rRεrL1L2d0dLw0wL數(shù)值/mm15.952.52.20.27λ0.37λ52.50.57λ31.80.57λ

3　實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

3.1天線設(shè)計(jì)參數(shù)分析

為了更好地分析不同參數(shù)對(duì)天線性能的影響,我們利用CST參數(shù)掃描功能進(jìn)行分析。圖4中,仿真了巴倫長度L1對(duì)天線回波損耗的影響?？梢奓1越長反射損耗越小?？紤]天線尺寸,我們最終選定L1=0.27λ。

圖5分析了輻射喇叭長度L2對(duì)天線回波損耗的影響。結(jié)果表明喇叭長度越長,低頻駐波性能越好,同樣考慮實(shí)際長度問題,選取L2=0.37λ。在圖6中，改變指數(shù)曲線的相關(guān)參數(shù)，分析其對(duì)天線回波損耗的影響,最終選定k為0.009 5,c為0.387 1時(shí),天線整體回波損耗最優(yōu)。在喇叭口徑對(duì)應(yīng)的高寬比為1,其他參數(shù)保持不變的前提下,圖7給出了不同口徑大小對(duì)天線性能影響的仿真結(jié)果。顯然口徑越小時(shí),低頻段反射特性越差?？紤]實(shí)物加工的精度等不確定因素的影響,本設(shè)計(jì)最終選擇喇叭口徑大小為0.57λ*0.57λ。

圖4　巴倫長度對(duì)回波損耗的影響Fig.4　Return loss with the size of L1

圖5　輻射喇叭長度對(duì)對(duì)回波損耗的影響Fig.5　Return loss with the size of L2

圖6　張面指數(shù)曲線對(duì)回波損耗的影響Fig.6　Return loss with the constant k

圖7　輻射喇叭口徑對(duì)回波損耗的影響Fig.7　Return loss with the size of dL

此外,在設(shè)計(jì)高功率電磁脈沖測量天線時(shí),因?yàn)轲伻朊}沖信號(hào)的大電壓、大電流、大功率特性,我們必須考慮天線所承受的能量強(qiáng)度,即功率容量。其大小主要和天線饋線的尺寸以及介質(zhì)的特性等相關(guān)。為了對(duì)本文所設(shè)計(jì)天線功率容量進(jìn)行分析,我們對(duì)天線內(nèi)部的電場分布進(jìn)行仿真計(jì)算,通過天線內(nèi)部最大場強(qiáng)值與介質(zhì)擊穿閾值計(jì)算得到天線功率容量。圖8給出了頻率為3GHz時(shí)天線電場分布情況,可見天線內(nèi)部場強(qiáng)的最大值為972V/m。仿真時(shí)天線輸入信號(hào)功率為1W, 空氣介質(zhì)的電場擊穿閾值為3MV/m,此時(shí)天線理論計(jì)算的峰值功率容量為(3×106/972)2×1W≈9.5MW。

3.2天線加工實(shí)測

依據(jù)上節(jié)中優(yōu)化得到的天線參數(shù),制作了天線試驗(yàn)件(圖9),并進(jìn)行實(shí)測。實(shí)物加工過程中,采用雙脊固定上下兩輻射喇叭張面,脊與輻射張面之間采取絕緣處理。

圖10為天線回波損耗的曲線,可見頻率在0.2～6GHz時(shí)回波損耗大于9.5dB,因加工精度影響,頻率在0.2～2GHz時(shí),實(shí)測的駐波較仿真值略差。圖11為天線增益隨頻率的變化曲線,在0.4～6GHz之間,天線的平均增益不小于9dB,且增益平坦性在±1dB之內(nèi)。圖12為天線的實(shí)測方向圖,可見本文設(shè)計(jì)的天線在頻帶內(nèi)具有良好的方向圖特性。表2為天線在主要頻點(diǎn)上實(shí)測的3dB波束寬度。

圖8　天線內(nèi)部電場分布仿真Fig.8　The distribution of electric field in the antenna

圖9　天線試驗(yàn)件Fig.9　The fabricated antenna

圖10　回波損耗曲線Fig.10　Return loss for the antenna

圖11　增益曲線Fig.11　Gain against frequency

圖12　方向圖曲線Fig.12　Directional diagram of the antenna

頻率/GHz0.5136波束寬度E-plane65.3°60.5°59.7°59.7°H-plane46.4°40.1°40.5°40.5°增益/dB8.48.548.78.2

4　結(jié)　論

采用理論研究與電磁軟件仿真相結(jié)合的方法設(shè)計(jì)并加工測試了一款適用于電磁脈沖測量的超寬帶大功率TEM喇叭天線。為了滿足天線承受大功率的要求,采用大功率的同軸線通過同軸寬帶巴倫直接對(duì)天線進(jìn)行饋電。實(shí)驗(yàn)測試表明:該天線在0.5～6GHz頻率范圍內(nèi),VSWR≤2,Gain≥8dB,增益平坦性在±1dB之內(nèi),并且具有較好的方向圖特性,可以滿足電磁脈沖輻射電場強(qiáng)度測量的基本需求。

[1]SAWANT K K， KUMAR C R S. CPW fed hexagonal microstrip fractal antenna for UWB wireless communications[J]. AEUE-International Journal of Electronics and Communicatinons,2015,69(1):31-38.

[2]DOROSTKAR M A， AZIM R，ISIAM M T. A novel T-shape fractal antenna for wideband communications [J]. Procedia Technology, 2013，11:1285-1291.

[3]王仁德,何炳發(fā).高功率脈沖武器與天線[J].中國電子科學(xué)研究院學(xué)報(bào),2012,7(2):152-157.

[4]ZHANG K， XU X W， HE M. A joint method of moments and network analysis approach for cavity-backed resistor-loaded bowtie antenna[C].The 2011 IEEE international Conference on Information Scienceand Technology, Nanjing, 2011:528-531.

[5]CERNY P,MUDROCH M.Back radiation minimization of ultra-wideband Vivaldi antenna for radar application[C].The 3rd European Conference on Antennas and Propagation, Piscataway,2009: 3335-3339.

[6]AMERTA K,WHITES K.Miniaturization of biconical antenna for ultra-wideband applications[J].IEEE Transactions on Antennasand Propagation,2009,57(12):3728-3735.

[7]郭晨,劉策,張安學(xué).探地雷達(dá)超寬帶背腔蝶形天線設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電波科學(xué)學(xué)報(bào),2010,25(2):221-226.

[8]ILARSLAN M, TüRK A S,DEMIREL S, et al. A compact Vivaldi shaped partially dielectric loaded TEM horn antenna for UWB communication[J]. International Journal of Antennas and Propagation, 2014.

[9]BUTRYM A Y,LEGENKIY M N,HAO X Y. Effects of tem-horn antenna tapering[C]∥The 6th International Conference on Ultra-wideband and Ultra-short Impulse Signals(UWBUSIS), Sevastopol,2012:215-217.

[10] ASCAMA H D O, HIRAMATSU R K, et al. Simulation and manufacturing of a miniaturized exponential UWB TEM horn antenna for UWB Radar applications[J].Journal of Microwaves, Optoelectronics and Electromagnetic Applicatios,2013,12(2):655-665.

[11] DUNCAN J W, MINERVA V P.100:1 bandwidth balun transformer[J].Proc. of the Institute of Radio Eigineers,1960,48(2): 156-164.

[12] KYUNG K H, PYUN S H,CHOI J H. The design of a wideband TEM horn antenna with a microstrip-type Balun[J].Antennas and Propagation Society International Symposium,2004,2:1899-1902.

(編輯李靜)

An ultra-wideband high-power TEM horn antenna for electromagnetic pulse measurement

LI Qi-xin1, GAO Bao-jian1, REN Yu-hui1, WU Han-dong2

(1.School of Information Science and Technology, Northwest University, Xi′an 710127,China; 2.Xi′an Hengda Microwave Technology Development Company, Xi′an 710061， China)

An ultra-wideband high-power TEM horn antenna for electromagnetic pulse measurement is designed and measured. The feed line of the antenna is made of coaxial ultra-wideband balun. The radiation units are composed of two smooth and graded metal surfaces. In order to achieve the ultra-wideband characteristics, the balun and radiation units are used in the form of exponential gradient. Meanwhile, the antenna is fed by coaxial ultra-wideband balun directly to improve the power capacity. Measured results show that the VSWR of the antenna is less than 2 with bandwidth of 0.5～6GHz, and its average gain is higher by 8 dB over the same band. Moreover, the gain flatness is in ±1dB.

ultra-wideband antenna; TEM horn; coaxial ultra-wideband balun

2015-11-13

陜西省教育廳自然科學(xué)專項(xiàng)基金資助項(xiàng)目(11JK1039);西北大學(xué)自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(12NW26)

李其信，男，山東聊城人，從事超寬帶天線及高功率技術(shù)研究。

任宇輝，男，陜西岐山人，博士，從事超寬帶天線、相控陣天線及左手材料等領(lǐng)域。

TN82

A

10.16152/j.cnki.xdxbzr.2016-04-010