切比雪夫变量线em喇叭天线设计与性能研究

切比雪夫变量线em喇叭天线设计与性能研究

tem-x射线是大多数高工作率超宽谱辐射天线。。。结构简单，辐射效果高。不仅可以作为单波器使用，还可以作为反射面带的天线源，并形成矩阵，以提高辐射的方向和强度。当TEM喇叭用作超宽谱脉冲的辐射天线时,其存在一最佳特性阻抗,在此特性阻抗下,天线的辐射效率最高,辐射场强最大。对空气介质中的TEM喇叭,其最佳特性阻抗值约为242Ω［４］,而脉冲源的输出端特性阻抗通常为50Ω,当天线与脉冲源连接时,存在一个阻抗变换的问题。在低功率情况下,我们可以采用恒阻抗TEM喇叭接匹配馈电巴伦结构［５］,实现天线与脉冲源的匹配馈电;在高功率情况下,由于功率容量的限制,上述馈电方式已不适用,此时通常采用同轴-平板过渡巴伦接变阻抗的TEM天线结构［６］。为了提高馈电效率,巴伦通常采用恒阻抗50Ω结构［７］,此时从巴伦端的50Ω到天线口径处的242Ω存在一个阻抗渐变方式的选择。最简单最普遍的方式是采用线性渐变方式,TEM喇叭的上下极板做成两块三角板［８］,其次是采用指数渐变方式,但其结构复杂的同时性能并没有显著提高［９］。除了上述两种常见的渐变方式,另一种电性能更优的渐变方式是切比雪夫阻抗渐变线［１０］,其在传输线、巴伦、耦合器等的设计中已有广泛应用,但由于其设计复杂,在超宽谱脉冲辐射天线的设计中鲜有报道。本文将该阻抗变换线应用于高功率TEM喇叭天线的设计中,基于数值模拟分析了其阻抗特性、传输特性及辐射特性,给出了设计方法,并与线性渐变TEM喇叭天线进行了对比分析。1样品中等幅摆动状摆动在保持总长度不变的情况下,若使阶梯式切比雪夫变换器的节数N无限增加,则得到切比雪夫渐变线,其结构示意图如图1所示。其中Z１,Z２分别是渐变线输入端和输出端的特性阻抗,L是渐变线总长度。切比雪夫渐变线的频率特征如图2所示。图中纵坐标为输入端反射系数,Γｍ为工作频带内的最大反射系数［１１］,表达式为式中:β１=2π/λ１是下限频率f１的相位常数。当β由0增加到β１时,曲线单调下降;当β>β１后,输入端反射系数|Γｉ|呈等幅波纹状摆动。由式(1)可以看出切比雪夫阻抗渐变线有如下特点:由渐变线长度L及所关心的带宽内的最大反射系数可以求出下限工作频率。这最大的好处就是可以根据馈入脉冲的频谱范围对渐变线进行赋形设计,以尽可能的提高传输与辐射效率。若馈入的脉冲频谱下限很高,则切比雪夫渐变线可以做到很低的反射系数,这对低频谱分量很少的双极性超宽谱脉冲来说具有非常好的效果。切比雪夫渐变线特性阻抗ZＣ(x)的分布为式中:U为单位阶梯函数函数Φ(η,β１L)定义为式中:η=2x/L;I１为第一类一阶变形Bessel函数。由式(2)可以看出,切比雪夫渐变线在x=±L/2处各有一个不连续点,不连续值由最大反射系数Γm决定,Γm越大时,不连续性越大。这与其他渐变线不同。在渐变线的中点,其阻抗值恰为Z1,Z2的几何平均值。2tem喇叭特性分析本文设计的TEM喇叭馈入端特性阻抗为50Ω,与脉冲源连接,口径端为自由空间的最佳特性阻抗242Ω,用于辐射纳秒级超宽谱脉冲。TEM喇叭总长度设计为70cm。当采用切比雪夫渐变线进行阻抗变换时,由式(1)可以求出渐变线最大反射系数Γｍ与下限工作频率f１的关系曲线,如图3所示。可以看出,当Γｍ=5%时,f１=235MHz;当Γｍ=10%时,f１=185MHz;当Γｍ=20%时,f１=140MHz。常用的两种超宽谱馈入脉冲为单极性的高斯脉冲与双极性的微分高斯脉冲。高斯脉冲频谱分量主要集中于低频端,而双极脉冲的低频分量较少,其辐射效率要比相同脉宽的单极脉冲要高。本文以脉冲半高宽分别为0.5,1,2ns的单极脉冲及峰峰值脉宽分别为0.5,1,2ns的双极脉冲为馈入脉冲,在最大反射系数分别为5%,10%,20%的条件下进行切比雪夫渐变线TEM喇叭天线设计,并与常用的线性渐变TEM喇叭天线进行对比分析。对比时各天线的长度、口径尺寸及馈入端特性阻抗均保持一致,仅阻抗渐变形式不同。为便于加工,切比雪夫渐变TEM喇叭设计时保持高度沿轴向线性渐变,变化宽度,使各截面的特性阻抗满足切比雪夫渐变线要求。不同Γｍ下对应的TEM喇叭极板形状及线性TEM喇叭形状如图4所示。图5为不同Γｍ下对应的喇叭特性阻抗变化曲线图。其中横坐标为喇叭轴向位置,可以看出在喇叭馈点端(L=0)和口径端(L=70cm)各存在一个阻抗突变点。Γｍ越大,阻抗突变越大。在Γｍ=10%时,起始端特性阻抗由50Ω突变至55Ω,口径端特性阻抗由220Ω突变至242Ω。采用数值模拟的方法计算不同馈入脉冲下各喇叭的性能,计算时,馈入功率都为归一化1W。测得各TEM喇叭电压驻波比(VSWR)如图6所示。可以看出,在0~3GHz频带内,线性渐变TEM喇叭的VSWR要远高于切比雪夫渐变线TEM喇叭,且其截止频率也要高于后者,表明其低频辐射性能较差,高频反射也比较大。切比雪夫渐变线TEM喇叭的VSWR变化规律与图2所示类似,Γｍ越大,驻波比越高,同时截止频率也相应降低。表1为在馈入不同脉冲下计算所得天线主轴辐射场rEｐ值(r为测试距离,Eｐ为峰值电场强度)。从表1可以看出,不论是单极脉冲还是双极脉冲,不同Γｍ的切比雪夫渐变线TEM喇叭的辐射性能都要优于线性渐变TEM喇叭,且随着脉冲变宽,性能差距越明显。由前述分析,这主要是由于线性渐变TEM喇叭的截止频率要高于切比雪夫渐变线TEM喇叭,当馈入脉冲变宽时,频谱低频分量增加,导致线性渐变TEM喇叭辐射性能降低。对切比雪夫渐变线TEM喇叭,随着Γｍ增大,辐射场强也随之变大,这是因为当Γｍ增大时,截止频率降低(如图3所示),相应的增强了低频辐射能力。同时可以看出,当馈入脉冲较窄时,随着Γｍ的增大,性能差距很大,馈入0.5ns单极脉冲时,Γｍ=20%时的TEM喇叭辐射场强比Γｍ=10%的辐射场强要大13%,比Γｍ=5%的辐射场强要大18%,而当馈入脉冲脉宽逐渐增大到2ns时,三者性能差距越来越小,甚至Γｍ大的辐射场强反而更小了(如1ns单极脉冲)。对馈入的双极脉冲也有同样的规律。这主要原因是Γｍ越大时,虽然低频辐射能力增强,但高频反射也增加,相应减弱了高频辐射性能,而喇叭截止频率并不能无限减小,当脉冲宽到一定程度时,Γｍ越大时反而性能越低。因此,为了提高辐射效率,当馈入脉冲较窄时,我们可以选择Γｍ较大的TEM喇叭,当馈入脉冲比较宽时,选择Γｍ较小的TEM喇叭更为合适。3线性渐变tem本文采用切比雪夫渐变线设计了一副特性阻抗由50Ω渐变至242Ω的TEM喇叭天线,分析了其阻抗特性、传输特性和