超宽带电磁学09

1、超宽带电磁学超宽带电磁学及其应用及其应用电子科技大学电子科技大学阮成礼阮成礼2006年年2月月20日日5月月10日，三教楼日，三教楼109教室，教室，周一周一7、8节，周四节，周四9、10节。节。TEMTEM喇叭阵列天线喇叭阵列天线 近三十年高功率微波（HPM）、电磁脉冲（EMP）模拟器、冲击（Impulse）雷达等领域成为研究热点，从而使得HP Pulse的辐射问题倍受关注。 HP Pulse具有频谱宽，低频分量丰富，脉冲功率频谱宽，低频分量丰富，脉冲功率高等高等特点。如何有效地把高功率电磁脉冲辐射出去，对天线提出了很高的要求。高功率电磁脉冲源分类高功率电磁脉冲源分类 单脉冲源单脉冲源 单天

2、线辐射， TEM喇叭，反射面等。 阵列天线辐射，其困难在于高功率，高压极限、模式控制等技术上的难题，以及复杂的馈电系统，体积大、成本高等。 阵列脉冲源阵列脉冲源 脉冲源与天线集成化辐射有一系列优点。 阵列天线辐射的优点阵列天线辐射的优点 用低压脉冲源，其优点是脉冲上升时间短（小于临界上升时间），通过阵列辐射能够形成大口径面和慢衰减传播； 采用集成化光导脉冲源，容易实现阵列同步，与真空管，火花放电等比较，光导脉冲源可以严格定时而无时间抖动，同步达到ps量级； 实现波束电扫； 对于高功率微波（HPM）和雷达来说，重要的是可以实现很大的阵列孔径和很高的脉冲功率。TEMTEM喇叭天线阵列喇叭天线阵列

3、TEMTEM喇叭阵列天线喇叭阵列天线 在最高工作频率上（ ）单元天线之间的互耦比较小； 而频率很低时（ ）有意设计天线使互耦比较大，以提高天线低频特性。 在中心频率上，互耦对天线的影响如何是需要研究的问题。 TEM喇叭阵列天线的频带宽度 最高工作频率受栅瓣条件制约； 低频端受整个天线阵列尺寸限制。yxhdd ,yxldd ,前提条件前提条件 假设：无限大天线阵列假设：无限大天线阵列 整个阵列单元数很多，尺寸很大，使得天线阵列的边缘不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不考虑天线阵的边缘效应。 天线阵列的尺寸大于半个波长天线阵列的尺寸大于半个波长 对于有限阵列来说，当整个天线

4、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。分析方法分析方法 周期混合有限元法（periodic hybrid finite-element approach）中；见文献（AP-42, p.1626-1630, 1994; Radio Sci., vol.31, p.1173-1179, 1996） 天线单元被分成四面体四面体的体积单元，在体积单元上定义电场的展开函数； 网格中包括电阻元件，以便模拟点源和负载。单元天线典型的有限元表示法单元天线典型的有限元表示法 分析方法分析方法 展开函数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边界条件决

5、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， 在单元四周的边壁上，强迫满足周期性条件周期性条件，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。数值分析方法数值分析方法 网格网格的边长 ，在源点附近，网格划分应当更细。 应用双共轭梯度法双共轭梯度法解矩阵方程，误差门限误差门限为 。 计算与周期辐射边界相关的矩阵项时，取Floquet模式的阶数模式的阶数为 。 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收敛到0.1%范围内。510110,10mn10min平面双

6、锥阵列天线平面双锥阵列天线 双极化双极化结构演变结构演变900450二者边缘不同；单元天线和阵列天线；定向辐射和双向辐射。垂直极化垂直极化平面双锥阵列天线平面双锥阵列天线(b)垂直极化，(c)有缝隙垂直极化 自补结构天线阵自补结构天线阵 双向天线双向天线 对大多数应用来说，平面双锥阵列天线不一定是最优天线，因为，在所有频率上阵面两边有相同的辐射波束。 当阵元的尺寸 天线阵具有自补结构自补结构，也就是说，以任何一个馈电点旋转90得到互补结构。从而，任意一个馈电点的输入阻抗必然等于 ，而且与频率无关。 研究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非理想馈电结构对天线性能的影响。yx

7、dd 602/0馈电区域的精细结构馈电区域的精细结构 输入阻抗的频率特性输入阻抗的频率特性 0yxdd栅栅 瓣瓣 当 时，出现八个可见的栅瓣，在每个半空间有四个可见的栅瓣，同时使输入阻抗发生不连续变化。当 时，出现第二组可见的栅瓣同时使输入阻抗发生不连续变化。 尽管有栅瓣出现，输入阻抗还是保持在预期值附近，进一步确认了自补天线的与频率无关特性。 0ff 02ff 22ll 225. 12 l5 . 12 l22 l不同臂长对称振子方向图不同臂长对称振子方向图电流分布的改变产生了栅瓣电流分布的改变产生了栅瓣平面双锥阵列天线平面双锥阵列天线 作为发射天线同相馈电时，当 ，在两个垂直阵面方向各辐射一

8、半的功率， 当馈电点接的负载是 时，接收天线接收功率等于两边正入射平面波功率之和。 0ff 60出现栅瓣时吸收功率迅速降低 )sin1 (00fffGL100低频特性低频特性 相邻天线单元之间的空气缝隙是 ，馈电点的结构如图5.35b。 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。100作为阵列天线的单元天线的性能作为阵列天线的单元天线的性能 对于方形单元，当 ，输入阻抗为 。因此,在计算天线阵列接收频率响应时，在图5.35b所示的馈电点处接入 的负载阻抗。 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。 0ff 2020TEMTEM喇叭阵列天线的频率响

9、应喇叭阵列天线的频率响应TEM喇叭阵列天线的正入射接收功率 斜入射斜入射6060,30,0入射情况下的接收功率 斜入射斜入射6060,30,060入射情况下的接收信号相位 6060,30,0频率上限受到栅瓣频率和入射角的限制频率上限受到栅瓣频率和入射角的限制 以中心负载为参考点，频率直到 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 。GLf正入射正入射TEMTEM喇叭阵列天线的输入阻抗喇叭阵列天线的输入阻抗 TEMTEM喇叭天线的输入阻抗喇叭天线的输入阻抗 一个孤立的TEM喇叭天线的输入阻抗可以用共形变换方法得到。在高频端它也是阵列单元的输入阻抗。 对于方形单元的阵列， 时输入阻抗为 ， 时 输入阻抗为 。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 。 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。1200493. 0600481. 020输入阻抗输入阻抗E E面面 )cos(5 . 000低频端输入阻抗为 120H H面面120E E面面 60H H面面60 可以看到可以看到计算的最高频率输入阻抗是相