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。     

高功率超宽带馈源设计与实验

针对大型抛物反射面天线中的高功率超宽带馈源, 提出一种恒阻抗不平衡-平衡转换结构(巴伦)加切比雪夫渐变线TEM喇叭的馈源设计方法, 采用数值模拟研究了其阻抗特性、传输特性与辐射特性, 并进行了测试实验。结果表明:该种馈源结构在较小的体积下具有低反射、高带宽和高馈电效率的优点。该馈源已成功应用于大型高功率抛物反射面天线。     

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。     

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。     

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。     

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。     

高辐射效率超宽谱脉冲辐射天线的设计与实验

设计了一种采用共面TEM馈电结构的抛物反射面超宽谱脉冲辐射天线,分析了该种馈电结构的阻抗特性与辐射特性。实验表明当馈入电压为3kV、前沿180ps的超宽谱脉冲时,该天线主轴辐射场测试距离与峰值场强之积平均值达到18.3kV,相较于常用的TEM喇叭馈电的超宽带反射面天线,其辐射效率有了显著的提高。     

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。     

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%。     

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。     

超宽带天线中同轴到平板过渡研究

 从理论上分析了渐变式传输线阻抗变换的反射与频率的关系，进而分析了同轴到平板过渡的电压驻波比关系式； 用3维FDTD方法动态模拟了瞬态脉冲信号在同轴到平板过渡中的传输过程，分析了信号在过渡中的损耗，设计了具有高功率容量的渐变式同轴到平板过渡和TEM喇叭天线，对渐变式同轴到平板过渡的反射和带过渡结构的天线方向图进行了测量。实验表明瞬态脉冲信号经过同轴到平板过渡没有产生畸变，适当选择过渡长度可使脉冲传输效率大于85%。实验结果验证了理论和数值模拟的结果。     

超宽谱电磁脉冲辐射场测量系统

 介绍了一套自行研制的高功率超宽谱电磁脉冲辐射场测量系统，该系统主要由TEM喇叭接收天线、同轴传输线、宽带示波器及微型计算机组成。其中，TEM喇叭上极板为等腰三角形金属板，顶角14°，高60 cm，下极板为80 cm×30 cm矩形金属板，两金属板间夹角为7°，采用同轴线直接馈电方式，馈电点高度1 mm。分析了测量系统的基本理论，采用时域有限差分和离散傅里叶变换相结合的方法对TEM喇叭接收天线的传递函数进行了计算，建立了信号衰减补偿方法。实测了抛物反射面脉冲辐射天线的辐射场，测得主轴上远区辐射场主脉冲波形与辐射天线的激励信号近似成微分关系，当激励信号的前后沿变快时，测得的辐射场也相应增大。测量结果表明，该系统能够反映脉冲辐射场的变化特性，具有良好的波形保真性和宽频带特性。     

线框馈电抛物反射面高功率电磁脉冲辐射天线

 研制了一种由高功率宽带模式转换结构、导电线框TEM喇叭馈电结构及抛物反射面构成的天线,用其辐射高功率亚纳秒电磁脉冲。时域测试表明,在半宽为700ps、峰值电压为200kV脉冲激励下,天线的主瓣宽度约为±3.8°,辐射效率约为37%。