TEM喇叭阵列天线

1、TEM 喇叭阵列天线 高功率电磁脉冲的辐射日益成为研究的热点 EMP 模拟器 Impulse 雷达 HPM 武器 对天线的要求 很低的频率分量 特别的波形 对感兴趣的目标产生谐振( Impulse radar ) HPM 如何实现 单脉冲源： 单天线，TEM喇叭，反射面， 阵列辐射，高功率，高压极限 模式控制等技术上困难 复杂的馈电系统，体积大成本高 阵列脉冲源： 低压脉冲源阵列的优点是 fast rise time 无抖动(与真空管，火化放电等比较) 实现波束电扫描 可以实现很大的阵列孔径和很高的功率 入射波方向 SOURCE OR LOAD 图1 TEM喇叭阵列的几何结构 我们研究的阵列天

2、线如图1所示，由TEM喇叭天线构成。其最高 工作频率（h dx,dy）单元天线之间的互耦比较小；而频率很低时 （l dx，dy ）有意设计天线使互耦比较大，以提高天线低频特性。当 中心频率时，互耦对天线的影响如何使本届研究的问题。分析表明： TEM喇叭阵列的近似频带限制为，最高工作频率受栅瓣条件制约， 低频受整个天线阵列的瓣波长尺寸限制。 分析方法 假设：整个阵列单元数很多，尺寸很大，使得天线阵列的边缘步 影响每个单元的辐射特性。也就是说，不考虑天线阵的边缘效应，对 每个单元天线来说，天线阵列都是无限大的。 值得注意的是，对于有限阵列来说，当整个天线阵列的尺寸小于 半个波长时(在极化方向)，天

3、线将不能有效地辐射或者接收电磁信 号。 在文献(AP-42, p.1626-1630, 1994; Radio Sci., vol.31, p.1173-1179, 1996)给出的周期 混合有 限元法(periodic hybrid finite-element approach)中，天线单元被分成四面体的体积单元，在体积单元上定 义电场的展开函数。如图2所示，一个TEM喇叭单元的网格，喇叭 内的网格被移去，以便显示喇叭的形状。效法网格中可以包括电阻元 件，以便模拟点源和负载。 图2.天线阵的单元天线典型的有限元表示法 (喇叭内的网格被移去) 这里展开函数是线性边缘基矢量兀。有限兀区域是由周

4、期性辐射 边界条件决定的（+Z和-z两边）平面之间的区域。基于积分方程的 条件对任意方向的出射波提供无反射吸收边界，另外，在单元四周的 边壁上，强迫满足周期性条件，有效地约束x和y方向两个相反的面 有（与阵列扫描角相应的）相位移。最后，导出一组方程并且针对每 一个扫描角和频率来求解。 在下面的讨论中，网格的边长小于等于最高频率的十分之一波长， 在源点附近，网格划分应当更细。应用双共轭梯度法解矩阵方程，误 差门限为1 10 5。计算与周期辐射边界相关的矩阵项时取 Floquet模式 的阶数为10 n,m 10。这样的网格尺寸，模式数目以及误差门限可 以保证给出计算的收敛到0.1%范围内。 平面双

5、锥阵列天线 TEM喇叭的极限情况是 180的平面双锥天线。图给出了平面双 锥阵列天线几种形式。因为信号源是串联形式，所以平面双锥阵列天 线的工作频率可以非常低。实际上，天线阵的低端频率限制是整个天 线阵的尺寸是否大于半个波长。 对大多数应用来说，平面双锥阵列天线并不是最优天线，因为它 是双向天线，在所有频率上在阵面两边有相同的辐射波束。 有趣的是， 当阵元的尺寸dx dy天线阵具有自补结构，也就是说，以任何一个馈 电点旋转90o得到互补结构，导体代之于自由空间，自由空间代之于 导体。从而，任意一个馈电点的输入阻抗必然等于。/2 60 ，而且 与频率无关。这一点已经得到实验研究的确认。 研究平面

6、双锥阵列天 线的重要性在于可以用它来评估非理想馈电结构对天线性能的影响。 图4给出了两种馈电结构，图4b的结构更接近于理想馈电点源。 O 图4馈电区域的精细结构 两种馈电结构的输入阻抗Z.在图5中给出。其中频率f。的定义是图1 所示格子尺寸严格等于其波长，即dx dy 0。当频率增加超过f0时, 出现八个可见的栅瓣，在每个半空间有四个可见的栅瓣，同时使输入 阻抗Z.发生不连续变化。当频率增加超过 、2f。时，出现第二组可见 的栅瓣同时使输入阻抗Z.发生不连续变化。尽管有栅瓣出现，输入 阻抗还是保持在预期的60 附近，进一步确认了自补天线的与频率 无关特性。如预料的那样，图4b的结构更接近于理想

7、馈电点源，给 出近似的自补结构。 当平面双锥阵列天线作为发射天线同相馈电时，直到频率为fo， 在两个垂直阵面方向各辐射一半的功率，类似地，当馈电点接的负载 是60 时，作为接收天线每一边将接收正入射平面波一半的功率。 图6给出了宽边正入射、负载为60 条件下，接收功率、前向散射 功率、后前向散射功率，在没有栅瓣的区域，接收功率非常接近常数 300 250 200 150 100 50 0 (tflEUO)山oN_1 山rr NORMALIZED FREQUENCY (f/fn) 0 图6.平面双锥阵列天线正入射时的接收和散射功率 TEM喇叭阵列天线的频率响应 TEM喇叭天线可以看成是开路平行板

8、传输线末端展开形成的。它 是最常用的超宽带辐射和接收天线， 但是，它作为阵列天线的单元天 线的性能尚不清楚。下面给出dx dy 0，喇叭张角 35 ,60 ,120情 况下天线阵列的有关数据。 在低端频率张角对TEM喇叭天线的输入阻抗没有影响，它仅是单 元天线的函数。对于方形格子，当 0，输入阻抗为0 2。因此, -100 1 图8.60的TEM喇叭阵列天线在0 ,30 ,60入射情况下的（a）接收功率和（b）相位 beta 二 180 -beta = 12D beta = 60 -o beta = 35 9076543 2 O.OOOD.OOO. 1 a 在计算天线阵列接收频率响应时，要在图

9、 4b所示的馈电点处接入 0 2的负载阻抗。图7给出了平面双锥阵列天线和35 ,60 ,120的 TEM喇叭阵列天线的正入射接收功率。如所预料，做接收天线时喇叭 张角越小，耦合到负载上的入射功率越多。但是，频率响应的幅值越 不均匀，呈现随频率增加而振荡的特性。在发射情况下，根据互逆原 1 0 D020 40.60.811.21.4 NORMALIZED FREQUENCY (f/fn) 理+z方向的辐射功率等于单位1减去图7所示值的差。频率响应中 的峰值对应着喇叭长度等于半波长的整数倍的频率。 (OUCL、d )亡山 Mod co山o山nr 6 6 4 2 Ar o o o o H Plane

10、. 60 deg -=:rfI C.10.20.S0.40.5O.e0.70.80.91 NORMALIZED FREQUENCY (f/fo) (al 20 20 o -4 o -5 -80 00 10.20 304050.60.70 809 NORMALIZED FREQUENCY (f / fo) (b) 图7指出，在频率低于fo的范围内，可以用TEM喇叭单元天线改进 天线阵的方向性。但是，频率上限还是受到栅瓣频率和入射角的限制。 对于超宽带发射机，这就意味着，必须选择阵列单元的间距使得fo等 于或大于发射机能产生的最高频率。如果这个条件不能满足，那么大 部分高于fGL的能量将不可能辐射

11、到预定的方向上。图8给出了 60 的TEM喇叭阵列天线在0 ,30 ,60入射情况下H面的接收功率和（b） 相位。以中心负载为参考点，频率直到 fGL相位差不多是线性变化， 意味着可以无失真地辐射或接收瞬态波形。 图9.平面双锥阵列天线和60 ,120的TEM喇叭阵列天线的正入射的输入阻抗 TEM喇叭阵列天线的输入阻抗 一个孤立的TEM喇叭天线的输入阻抗可以用共形变换化方法得 到。在高频端它也是阵列单元的输入阻抗。对于方形格子的阵列， 在宽边方向，阵列单元的输入阻抗与平面双锥阵列天线 （有同样单元 尺寸）一样，为 2。然而，在中间频率，则必须用计算方法或者实 验方法来确定阵列单元的输入阻抗。

12、120时输入阻抗为0.493 0 60时输入阻抗为0.481 0。在低频端, 图9给出了平面双锥阵列天线和60 ,120的TEM喇叭阵列天线 的正入射的输入阻抗。图9中输入阻抗Zin波动和图7的接收功率波 动类似。如所预料，输入阻抗接近 0 2时接收功率最大。 200 Re At 30 Rcaf 60 deg. Irrwg. co 陶 o o c o D ouoftMo 4 3 2 1 J 孙Eno】山ohlCBdw_ n 5 7511 25 NCRMALIZED FREQUENCY (f/fQ ) I Ou o N0RMALI7FD FRFQUENCY (u) o o o o o 0 2 0

13、 3211 1 命 Ero)山 QN ao (电 gg 山 ONac 山 -200 0 fteal, 30 日阿一 lnug4 30 deg. Imw, CO d. IS* I 1 aH-II. ;A o o o 302010 ) 亶理邃一J -QL 0,250 50.7511 25 L5 NORMALIZ ED FRITQIJ 匚 NCY (f/fo) 代） 200 価 -200 0 0 25 1 7b 1 NORMALIZED FREQUENCY ( f / fo ) (BE 匸g 山 ONVGmdM 住M , jQ dflQ Im刖.30血0 , 6D deg. 心|iriiip 60 deg 图10. 30 ,60 时TEM喇叭阵列天线的输入阻抗。（a）120 ,E面。 (b) 120 ,H 面。（c） 60 , E 面。.(d) 60 , H 面。 图10给出了 30 ,60 时 TEM喇叭阵列天线的输入阻抗。 (a)120 ,E 面。(b) 120 ,H