一種指數(shù)型超寬帶TEM喇叭的設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)?

周巧玲 張學(xué)志 邵春雨

（中國(guó)人民解放軍陸軍工程大學(xué)軍械士官學(xué)校 武漢 430075）

1 引言

TEM喇叭是一種常用的大功率超寬帶天線，其性能優(yōu)良，結(jié)構(gòu)緊湊，易于排布。TEM喇叭既可以單只作為發(fā)射喇叭使用，又能夠作為拋物面天線的發(fā)射饋源。在實(shí)際應(yīng)用中TEM喇叭還可以組成接收陣列，進(jìn)行測(cè)向使用［1～2］。TEM喇叭的組成結(jié)構(gòu)一般是兩塊三角形的有限大的金屬板，沿著軸線張開(kāi)某個(gè)角度，構(gòu)成喇叭的輻射端口。按照傳輸線理論，其傳播模式為T(mén)EM主模傳播，因此我們又把這種天線稱(chēng)作TEM喇叭天線［3～4］。喇叭端口的開(kāi)路結(jié)構(gòu)使得這種天線對(duì)低頻反射較大，因此有各種加載（如加載電阻等），可以吸收部分低頻能量，減小低頻反射。TEM喇叭工作于低頻時(shí)，張角較小的喇叭可等效為電偶極子天線，在喇叭天線的末端加載低頻回路可等效為磁偶極子，由電偶極子和磁偶極子組成的回路可以近似地等效為振子天線，可以有效地改善TEM喇叭低頻段的天線輻射性能，但是低頻能量被加載阻抗吸收后導(dǎo)致低頻增益降低，且由于加載電阻耐功率要求不高，一般加載TEM喇叭為小功率接收設(shè)備［5～6］。本文設(shè)計(jì)了一種耐功率TEM喇叭天線，其用指數(shù)線形金屬板代替有限長(zhǎng)平行板，在保持后端阻抗不變的前提下，增大了天線前端的張角結(jié)構(gòu)使喇叭輻射段母線變長(zhǎng)，相同尺寸下與常規(guī)的TEM喇叭相比減小了天線低端的反射，拓展了天線的帶寬，兼顧了天線的小型化與超寬帶［7］。

2 設(shè)計(jì)原理

TEM喇叭天線的結(jié)構(gòu)示意圖，如圖1所示。喇叭的基本參數(shù)為喇叭饋電喉部的中點(diǎn)到其中的一個(gè)金屬板的斜角距離為l，任意截面高為?，喇叭口徑的寬度為w。TEM喇叭天線可以調(diào)整兩塊金屬板之間的張口角度大小和饋電到輻射口面的距離，使整個(gè)喇叭的阻抗從同軸線的50Ω漸變到天線輻射口面的自由空間阻抗（120πΩ），從而減小天線的反射系數(shù)，減小反射損耗［8～9］。

圖1 TEM喇叭結(jié)構(gòu)示意圖

TEM喇叭天線實(shí)質(zhì)上是一段由平行雙導(dǎo)線制成的阻抗變換器，可以將TEM喇叭的上下三角形金屬板分成等間距的小段，上下金屬板的小段組成若干的組，每一組可以近似地等效為平行的導(dǎo)線，其傳播TEM模波，當(dāng)喇叭任意截面高為?，寬為w時(shí)，其特性阻抗Z0可以由微帶傳輸線的特性阻抗推到任意點(diǎn)的特性阻抗Z0［10］。

TEM天線喇叭面的形狀對(duì)天線性能影響較大：如果天線從喇叭的“喉部”一直到喇叭的開(kāi)口處，他的特性阻抗為一固定大小的數(shù)值，具有這種特性的TEM喇叭天線稱(chēng)為恒阻抗TEM喇叭天線；如果喇叭的兩個(gè)金屬板間的張角與金屬板的寬度相比是變化的，即天線的特性阻抗從喇叭的“喉部”一直到喇叭的開(kāi)口處是按某種規(guī)律漸變的，這種喇叭天線稱(chēng)為阻抗?jié)u變天線。

TEM喇叭天線上下金屬面的電磁波可以由下式描述［11～12］：

其輻射電場(chǎng)為

其中，l是天線的長(zhǎng)度，z是饋電距離，θ是H面方位角。

3 仿真設(shè)計(jì)

由理論推導(dǎo)可知，TEM喇叭天線的設(shè)計(jì)核心在于阻抗的匹配，阻抗的大小由天線的長(zhǎng)度l和天線輻射口的高度w決定的。若要求TEM喇叭的頻帶較寬且方向圖不出現(xiàn)失真現(xiàn)象，則金屬板的長(zhǎng)度選用較長(zhǎng)，喇叭的張口角度較小，這樣可以降低低頻段的截止頻率。在設(shè)計(jì)天線的過(guò)程中還需要考慮饋電形式，本文使用同軸線饋電，同軸線阻抗為50Ω，TEM喇叭設(shè)計(jì)中要求天線的輸入阻抗與其匹配，減小電磁波在輸入時(shí)的反射。TEM喇叭的饋電處的寬度能夠有效地改善天線的輸入阻抗。在設(shè)計(jì)時(shí)還要考慮天線的安裝與可維修性，則天線的尺寸不宜過(guò)大。

綜上所述，建立天線模型如圖2所示，通過(guò)電磁仿真軟件進(jìn)行仿真計(jì)算，優(yōu)化天線結(jié)構(gòu)參數(shù)。仿真結(jié)果表明改進(jìn)指數(shù)型TEM喇叭天線在整個(gè)頻段內(nèi)駐波小于2.5，高頻段增益能夠達(dá)到11dB。

圖2 天線仿真模型

圖3 天線駐波

圖4 天線H面方向圖

圖5 天線E面方向圖

圖6 天線增益

圖7 TEM喇叭實(shí)物加工圖

為了驗(yàn)證理論分析的結(jié)果，對(duì)整個(gè)天線進(jìn)行了加工和裝配，如圖7為T(mén)EM喇叭實(shí)物加工圖，天線的整個(gè)結(jié)構(gòu)使用鋁整銑加工而成，整個(gè)結(jié)構(gòu)件氧化導(dǎo)電，側(cè)面使用環(huán)氧側(cè)板支撐住上下金屬板。在微波暗室進(jìn)行測(cè)量表明，指數(shù)型超寬帶TEM喇叭性能優(yōu)良。經(jīng)實(shí)測(cè)處理后的數(shù)據(jù)與理論仿真結(jié)果很好地符合，能夠在工程中進(jìn)行應(yīng)用。

4 結(jié)語(yǔ)

基于傳統(tǒng)TEM喇叭天線的結(jié)構(gòu)，在傳統(tǒng)模型上進(jìn)一步改進(jìn)，使上下的金屬板由平面變?yōu)橹笖?shù)型的漸變形式。改動(dòng)后的天線不僅可以滿足超寬帶的需求，同時(shí)還可以實(shí)現(xiàn)天線的小型化，高增益。阻抗的匹配，有效地改善了天線的輻射效率，使反射損耗進(jìn)一步降低。采用電磁仿真軟件對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行優(yōu)化分析，結(jié)果顯示改進(jìn)后指數(shù)型喇叭天線可以實(shí)現(xiàn)在0.8GHz～6GHz頻率范圍內(nèi)的VSWR<2.5。與傳統(tǒng)模型相比，天線的整體性能指標(biāo)有了很大的改善，更具有工程的運(yùn)用性。