TEM喇叭阵列天线要点

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 )HPIM-如何实现单脉冲源：单天线，TEM剌叭，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SOURCEOR LOAD图1 TEM喇叭阵列的几何结构我们研究的阵列天线如图1所示，由TEM喇叭天线构成。其最高 工作频率(A

2、<dx,dy)单元天线之间的互耦比较小；而频率很低时(%>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)，天线将不能有效地辐射或者接收电磁信 号。在文献(AP-4

3、2, 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元。有限元区域是由周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

4、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。应用双共钝梯度法解矩阵方程，误 差门限为1父10，计算与周期辐射边界相关的矩阵项时取 Floquet模式 的阶数为-I0wn,mwi0。这样的网格尺寸，模式数目以及误差门限可图3.平面双锥阵列天线。（a）双极化，（b）垂直极化，有缝隙垂直极化以保证给出计算的收敛到0.1%范围内 平面双锥阵

5、列天线TEM喇叭的极限情况是P =180二的平面双锥天线。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 = 6的建，而且 与频率无关。这一点已经得到实验研究的确认。 研究

6、平面双锥阵列天 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。图4.馈电区域的精细结构两种馈电结构的输入阻抗Zin在图5中给出。其中频率力的定义是图1所示格子尺寸严格等于其波长，即dx = dy = %。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Zin发生不连续变化。当频率增加超过 72f0时，出现第二组可见 的栅瓣同时使输入阻抗Zin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60nC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

7、接近于理想馈电点源，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 f0, 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60m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脸条件下，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300250200150100500-50(GELI。)山oNVCBds一00.20.4060.811.21.4161 82NORMALIZED FREQUENCY (f / fn )图5.平面双锥阵列天线的输入阻抗的频率特性。1/2 ,这是自补结构

8、与频率无关特性的自然结论。然而，当频率增 加超过七时，入射波在锥平板上感应的电流分布形式将变化，虽 然总得宽边散射功率保持不变（50%）,剩余50%的功率进入栅瓣, 只有很少功率被吸收。对于斜入射，在低频时接收功率几乎保持 为常数，当频率高于fa =f0/（1+sine。）出现栅瓣时吸收功率迅速降 低（参见图1,日。是入射角）。这样一来，尽管平面双锥阵列天线 输入阻抗与频率无关，但是，其工作频率上限受栅瓣频率fGL限制 在高于fGL频率上虽然输入阻抗基本上接近“。/2,但是辐射功率不 再进入主波瓣，而是进入栅瓣。图 6中还给出了阵元不相连接的 平面双锥阵列天线的接收功率（参见图3c）。相邻天线

9、单元之间的 空气缝隙是%/10,馈电点的结构如图4b。很明显，从计算结果看 到阵元之间互相连接对低频分量的辐射和接收都非常重要。Absorbed 口 Fwd Scatter * Back ScatterElements with gaps00.20.40.60 .81121,4< 口三 d _ d ) B山MOJ 山，二V一山BNORMALIZED FREQUENCY (f/fn)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

10、楚。下面给出dx =dy =九0 ,喇叭张角P =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 f«f0,输入阻抗为/2。因止匕, 在计算天线阵列接收频率响应时，要在图4b所示的馈电点处接入”。/2的负载阻抗。图7给出了平面双锥阵列天线和P=35：60：120°的 TEM剌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(- 3d ) X山M0cl。山&g

11、t;田。山B图7.平面双锥阵列天线和 P =35 ：60 ：120 ：的TEM喇叭阵列天线的正入射接收功率理+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。00.1 0.2 0.3 64 0.5 0.6 0,7 0,8 0.91NORMALIZED FREQUENCY ( f/fo )汇、d )B山Mod 口山>山。山安(a)20 o-20-40-60-80- 10000.1 0.2 S3 0 4 0.5 0.6 0.7 0.8 0 91NORMALIZED FREQUENCY (f/fQ)(b)图8. P =60-的TEM喇叭阵

12、列天线在0：30：60一入射情况下的（a）接收功率和（b）相位 图7指出，在频率低于力的范围内，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 心等 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fa的能量将不可能辐射到预定的方向上。图8给出了 P = 60° 的TEM剌叭阵列天线在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 fa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。400300200

13、100Q-10000.75NORMALIZED FREQUENCY (f/fo)Real, beta=180l(nagr beia=180尺8或 bela=120* Imag, beta=120- Real, beta=6D Imag, bet3=60-a )山。N4 口山CLS一HnCLN 一图9.平面双锥阵列天线和 6 =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，P =120时输入阻抗为0.493"。，P =60二时输入阻抗为0.

14、483。在低频端,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。图9给出了平面双锥阵列天线和6 =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 册/2时接收功率最大。400(GES)山。N<口山d!AI_-20。01D.250 50.75粕七磔啕金E RftAl 30 rfflQ臼 lirafl. 30 deg t- Refll 60 dfiQ«? Imag, 60 deg

15、心：9卡1.2S15NORMALIZED FREQUENCY (f / fQ )(a)4C0SCO2C01C001.25NORMALIZED FREQUENCY (f/fn )飞八=6a 0.250.5.11 * Real. 30- - O - - lmagL 30*Real. CO d&g. 。,Im% 口 阚,(SEUO)山。(b)4oa0Real 30 deg. Irnaq, 3。威, Rtal GO dag. Imcig, GO deg.DO*1o o o ODO 3 2 1-20C00250 50.7511 25NORMALIZED FREQU匚NCY ( f / fg )(

16、c)400-2000t Raal, 3D eftg. o ImaQ, 3d deg. + - Rbbl. 60 deg.IrnaQ. BQ degr了遍 ：，-旅口 口自6JOCq0门2针g o 000 o o o o 3 2 1-1 GEqoUDNWHds-一0.250 50 7511 251.5NORMALIZED FREQUENCY ( f / fQ )图10.日=30 ：60 一时TEM喇叭阵列天线的输入阻抗。(a)P =120： E面。(b) P = 120 , H 面。(c) P = 60 , E 面。.(d) P = 60 , H 面。图10给出了日=30：60°时TEM喇