TEM喇叭天线低频补偿实验研究

 通过对TEM喇叭天线低频补偿的实验,验证了低频补偿原理的正确性。低频补偿可以改善TEM喇叭天线的低频传输特性及低频辐射特性。当TEM喇叭天线与低频补偿回路形成电偶极子和磁偶极子满足匹配条件时,天线低频辐射的单向性将得到提高。当天线的低频补偿回路形成的磁偶极矩足够大时,低频补偿可增大天线主辐射方向的辐射,并改善天线低频辐射特性。     

TEM喇叭天线低频辐射分析与天线设计

在超宽带TEM喇叭天线的设计中, 如何改善天线的低频性能是目前研究的关键问题。通过分析天线的阻抗渐变特性与时域辐射特性, 设计了一种新型TEM喇叭天线, 解决了天线末端反射的问题, 提高了天线低频性能。与传统的TEM喇叭天线相比, 新型TEM喇叭天线在全频段减小了方向图后瓣, 提高了低频时天线辐射主轴增益, 拓展了低频带宽。验证实验表明, 该天线带宽为160 MHz~2.5GHz, 180 MHz主轴增益2.3dB, 全频段方向图后瓣小于-2dB, 尺寸为48.5cm×38.1cm×35cm, 同时兼顾了天线的小型化与低频带宽。     

分布式阻抗末端加载的TEM喇叭天线设计

基于功率容量和口径匹配扩展低频工作带宽两方面的考虑,设计了一种具有分布式阻抗末端加载结构的超宽带TEM喇叭天线。首先,对渐变式同轴-平板的巴伦结构进行了优化设计,扩展了馈电结构的工作带宽,提高了馈电效率;其次,对指数型TEM喇叭天线末端进行了分布式阻抗的匹配设计,其端口特性和辐射特性均得到了明显改善,并采用功率方向图和能量方向图对天线的辐射效果进行评估。实验结果表明,相对于指数型TEM喇叭天线,加载分布式阻抗匹配末端结构后,天线低频带宽展宽了330 MHz,天线主轴辐射电场峰峰值提高了10%,馈电效率提高了17%。     

TEM喇叭天线辐射机理分析和优化设计

在频域和时域研究了TEM喇叭天线的辐射机理。在频域,高频信号激励的TEM喇叭表现为口径天线的辐射特性,具有良好的方向性;低频信号激励的TEM喇叭可视作偶极子天线,具有全向辐射特性;在时域,脉冲激励的TEM喇叭天线辐射场由四个子波叠加构成,在不同方向上,各个子波的波形和相对时序不同,导致不同方向上辐射场波形也不相同。根据辐射机理研究结果,提出了一种TEM喇叭天线末端加载设计并给出了其优化设计方法,有效地改善了天线主轴辐射性能,提高了辐射因子和天线效率。     

TEM喇叭天线阵列单元互耦对阵列辐射特性的影响

 应用FDTD方法分析TEM喇叭天线阵列的瞬态辐射特性，分析了阵列单元之间的互耦对天线阵列远场辐射的影响。当TEM喇叭天线阵列单元沿E-面叠状排列，阵元间互耦可以改善阵列的低频辐射；沿H-面排列的槽状线阵或平面方阵不利于阵列的低频辐射的改善。用半TEM喇叭天线组成槽状排列和叠状排列的二元线阵和四元线阵，进行了相应的原理性实验，实验结果与理论数值模拟基本一致。     

辐射式核电磁脉冲模拟器TEM喇叭天线

针对辐射式核电磁脉冲模拟器采用TEM喇叭天线作为辐射天线时低频辐射能力有限的问题,对板型和线型两种基本形式的TEM喇叭天线进行了分析。在采用线型TEM喇叭天线以减轻模拟器重量的基础上,在天线末端采用螺旋线结构,并增加屏蔽板回路,构造了一种新型TEM喇叭天线。结果表明:与普通线型TEM喇叭天线相比,该新型天线较大地提高了低频辐射性能,可使近场波形脉宽提高7ns左右,峰值场强提高了1kV/m左右;通过增大螺旋线半径和提高螺旋线密度可以提高峰值场强,增加近场波形脉宽;通过屏蔽板回路可以降低反射波纹的波峰从而改善近场波形。     

超宽带TEM天线的数值模拟

 用数值方法研究了超宽带电磁脉冲源经同轴型传输线输出到TEM天线上的发射问题。TEM喇叭天线的前端是平行板传输线。用时域有限差分方法模拟了超宽带电磁脉冲在平行板传输线和TEM波喇叭中的传输,给出了天线的输入阻抗和电压驻波比随频率的变化关系、天线的辐射场分布以及天线辐射的能量方向图等。     

高功率超宽带变压器油透镜天线设计与仿真

将TEM喇叭天线密封进填充变压器油的尼龙天线罩中,只要合理设计尼龙天线罩外形,使变压器油形成聚焦透镜,不仅能提高天线的功率容量,还能改善其辐射特性。基于变压器油的缩波效应和椭球的几何性质,借助几何光学理论,设计了一款具有聚焦能力的椭球变压器油透镜。变压器油的缩波效应能够增大TEM喇叭天线电尺寸,使TEM喇叭天线的辐射特性得到初步改善,透镜的聚焦能力使天线的定向性得到进一步改善。为了验证理论分析的正确性,另外设计了一款不具有聚焦能力的球状变压器油透镜作为参照,两款透镜天线仿真结果与理论分析吻合。与大气中的TEM喇叭天线相比,椭球变压器油透镜使TEM喇叭天线主波束变窄,远场电压峰峰值提高56.97%,阻抗带宽低频端从0.28GHz扩展到0.2GHz,功率容量达到18.43GW。     

切比雪夫渐变线TEM喇叭天线数值模拟

设计了一种采用切比雪夫渐变线的TEM喇叭天线,分析了其工作原理,采用数值模拟的方法研究了其阻抗特性、传输特性与辐射特性,并在不同的馈入脉冲下与常用的线性渐变TEM喇叭天线进行了性能对比。结果表明:切比雪夫渐变线TEM喇叭天线具有低反射、高带宽和高辐射场强的优点,其性能要明显优于线性渐变TEM喇叭天线,且馈入脉冲越宽,性能越明显。分析了最大反射系数对切比雪夫渐变线TEM喇叭天线辐射性能的影响,馈入脉冲越窄时,宜选择反射系数越大的辐射天线。     

超宽带TEM喇叭天线优化设计与实验

针对用于成像雷达系统的超宽带TEM喇叭天线进行了优化设计,兼顾辐射性能、馈入反射和小尺寸条件,采用平滑渐变结构和加载技术代替原设计,增加了低频电流的回流通道,从而改善了天线的低频特性,增强了其定向辐射能力。在理论分析的基础上对其进行了仿真,并按照仿真结果实际制作了一副天线,对天线进行了测试。仿真与实测结果表明:在电压驻波系数小于2时,该天线具有11∶1的阻抗带宽,较强的辐射能力和良好的定性辐射特性,能够满足雷达系统的需求。     

超宽带脉冲渐变式同轴到平板过渡结构研究

由于纳秒级的脉冲信号在平板结构传输中，辐射损较大，因此对于瞬态脉冲信号的传输一般采用同轴结构。超宽带脉冲信号的辐射较常采用TEM喇叭天线，由两片三角形的平面极板构成。对于应用TEM喇叭（或将其作为抛物面天线馈源）辐射高功率超宽带脉冲信号，一个重要的问题是如何将高功率脉冲信号由同轴传输线过渡到平板结构天线。     

基于TEM喇叭的电磁脉冲辐射天线优化设计

针对TEM喇叭天线终端反射大、低频辐射效率低的问题,对其进行了仿真优化设计。采用时域分析方法,分析了端部加载电阻与背部加载电阻的低频补偿方法,对TEM喇叭天线的尺寸、极板顶角等结构参数进行了优化,采用末端卷边结构,提升了辐射场的峰值场强与脉宽。根据仿真优化结果,研制了长度2.5 m、天线极板间张角45°、天线极板顶角45°的TEM喇叭天线,通过实测验证了仿真结果。结果表明,加载电阻可以有效降低反射,背部加载电阻方式的峰值场强和脉宽比端部加载电阻高,且采用4个电阻并联加载的效果较好;适当增加天线长度、极板顶角以及极板间夹角可以提高天线辐射性能。该研究结果为TEM喇叭天线在辐射式核电磁脉冲试验系统的应用提供了参考。     

TEM喇叭天线脉冲辐射特性

采用时域有限积分法（FIT）对相同几何口径尺寸下不同长度TEM喇叭天线的主轴辐射特性进行了研究,分析了有限长TEM喇叭天线与理想（无限长）TEM喇叭天线主轴辐射场存在差异的原因,导出了有限长TEM喇叭天线主轴辐射场在接近理想TEM喇叭天线辐射场条件下天线长度与激励脉冲宽度（或脉冲上升时间）之间的关系。在此基础上,根据文献中的研究结果,并结合激励脉冲波形,给出了TEM喇叭天线几何参数的优化设计方法。     

超宽带折线型TEM喇叭天线实验研究

基于功率容量和口径匹配的考虑,设计了一种超宽带折线型TEM喇叭天线。相比传统恒阻抗TEM喇叭,主要改进在于采用了同轴到平板过渡的馈入结构,辐射极板改为两段折线形式。通过理论模拟和实验研究对两种天线的输入、辐射特性进行了比较和分析。结果表明:采用960ps宽度的高斯脉冲激励,同轴平板过渡峰值功率传输效率达到85%;相比于恒阻抗喇叭,折线TEM喇叭辐射峰值电场提高30%,H面方向图主瓣宽度由80°压缩至60°,同时改善了700 MHz频带内的传输辐射特性,瞬态脉冲峰值功率容量达到15GW。     

电-磁振子组合型超宽带天线数值分析

 采用CST MICROWAVE STUDIO电磁场数值计算软件,对电-磁振子组合型超宽带（UWB）天线结构参数与天线性能之间的物理关系进行了分析。电磁组合型天线的物理结构包括三部分：天线的馈电系统、TEM喇叭辐射单元和电流环辐射单元。激励源采用高斯脉冲，边界为6层理想吸收边界（PML6）。仿真结果表明：组合天线的外导体屏蔽和电流环分别改善了不同频带内的端口参数；当电流环周长(105 cm)约等于天线尺寸(50 cm)的2倍时，天线的反射能量较小，端口参数曲线平坦；天线的物理尺寸决定其辐射带宽，尺寸越大，低频辐射特性越好。     

超宽带匹配馈电结构的设计与实验

设计研制了一种低阻抗传输线向高阻抗超宽带天线馈电的馈电结构,理想情况下,该馈电方法可实现特性阻抗为50Ω的同轴传输线向特性阻抗为200Ω的超宽带天线匹配馈电。分别用TEM喇叭天线和抛物反射面天线进行了实验验证,结果表明,与同轴线直接馈电相比,采用该匹配馈电结构后,TEM喇叭天线的辐射场强提高了15%,反射面天线的辐射场强提高了27%。     

超宽带天线辐射中心的时域测量方法

 采用时域方法测量超宽带天线的辐射中心时,找出一个参考点,使天线以此点为中心的辐射波在辐射主轴某一范围内的波形时延最小,该参考点即为天线的辐射中心。该方法无需考虑馈入脉冲的频率,仅需观察天线辐射场各方向的波形时延。用时域测量方法测量了超宽带TEM喇叭天线的辐射中心,并用TEM喇叭做为馈源的抛物反射面天线进行了验证,结果证明了该方法的可行性与准确性。     

高功率楔形介质填充天线设计

 针对高功率超宽带天线应用中的绝缘性及方向性等关键问题,设计了一种基于TEM喇叭天线形式的楔形介质填充天线,并利用时域有限差分数值方法分析了这种新型介质填充天线的辐射性能。数值模拟与测试结果表明,所设计的这种楔形介质填充天线不仅可以满足高功率天线的绝缘性要求,而且在主轴方向上具有较强的辐射场。     

不同渐变方式的喇叭结构对电-磁振子组合型超宽带天线特性的影响

 电-磁振子组合型超宽带（UWB）天线的物理结构包括3部分：天线的馈电系统、TEM喇叭辐射单元和电流环辐射单元。采用CST MICROWAVE STUDIO电磁场数值计算软件,对该组合型天线的结构与端口S参数和时域辐射特性的关系进行了分析。仿真结果表明：当TEM喇叭辐射单元和电流环辐射单元由3段金属板构成时，天线的端口S参数较小，主轴辐射功率较大，方向性较好。     

加载异向介质的太赫兹频段高方向性喇叭天线

设计了一款工作在太赫兹波段的类三角形异向介质单元,对传输系数进行处理得到单元的等效介电系数和有效磁导率,数据结果表明该单元在太赫兹波段出现双负频段.通过将该类三角形异向介质应用于太赫兹波段的喇叭天线,利用零折射率特性制作天线填充介质实现电磁波的定向辐射,减小天线的后向波能量损耗,达到提高天线方向性系数和增益的目的.实验结果表明:加载类三角形异向介质单元后的喇叭天线的后向波辐射减弱、前向辐射效率增强,方向性系数提高了46.86,增益提高了2.77dB.