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。     

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喇叭天线低频补偿实验

TEM喇叭天线因为其较宽的带宽及辐射相位中心的不变性，成为超宽带（UWB）最常用的天线。标准TEM喇叭由两块三角形平板组成，对于低频TEM喇叭天线相当于开端平板传输线，有许多低频能量反射回信号源，这将影响源的工作，在大功率的情况下会对源造成损害。在引入加载低频补偿回路后，可吸收这部分低频能量，并改善天线的低频传输特性及低频辐射特性。     

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。     

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。     

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。     

X波段高功率宽频带双螺旋反射阵列天线的设计

为了提升高功率微波辐射天线的带宽,提出并设计了一种X波段高功率圆极化反射阵列天线,该天线采用喇叭天线作为馈源,阵列天线单元由可旋转金属双螺旋线构成,通过旋转螺旋线可以实现360°的相位补偿,同时反射损耗极小。设计了15×15矩形栅格螺旋反射阵列天线,全波仿真结果表明:该口径为315 mm的阵列天线在中心频点9.3 GHz下,增益为28 dB,轴比为0.53 dB,口径效率为52.6%;在8.5~10.9 GHz的频带范围内增益大于26.8 dB,轴比小于1.14 dB,1 dB增益带宽和40%以上口径效率带宽均大于21%;在真空中所能承受的最大功率约为207 MW。     

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。     

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。     

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。     

0.22 THz二维电磁带隙波导和阵列天线设计

基于二维电磁带隙（EBG）结构,设计了工作在0.22 THz的直波导传输线和90弯波导传输线。数值模拟结果显示:直波导和弯波导的S21参数在0.22 THz处均大于10-5 dB,20 GHz模拟频带内的S21参数分别大于-0.001 dB和-0.003 5 dB。EBG结构很好地阻止了电磁波在电磁带隙内部的传播。基于EBG结构波导,设计了3 dB功分器和H面扇形喇叭阵列天线。数值模拟结果显示:功分器的S21参数在0.22 THz处为-3 dB,阵列天线方向性为17.1 dBi,具有较小的旁瓣和后瓣,E面和H面方向图均具有良好对称性。     

小型L波段高功率微波辐射场测量系统接收天线

借鉴电-磁振子组合型天线结构,设计了一种基于同轴传输结构的小型L波段高功率微波(HPM)辐射场测量系统接收天线,解决了L波段传统波导型测量系统中接收天线体积大、使用不便的问题。通过仿真研究分析了天线结构尺寸与天线增益、驻波和方向图等特性参数之间的关系,优化设计了用于L波段HPM辐射场测量的接收天线结构,并对加工的天线实物进行了测试。结果表明:当天线口面尺寸与长度相等时,其边长与工作的中心频率对应波长存在着两倍的关系;选择边长为100mm可满足在1.2~1.8GHz频段内,天线驻波系数小于1.5,增益从2.8dB单调增大至6.1dB,方向图主瓣宽度大于70°,辐射主轴与天线几何主轴基本一致。     

大尺寸模式转换天线的设计和实验研究

 在同轴波导尺寸较大的情况下,传统的插入四块金属板的同轴插板式模式转换器难以满足扇形波导内单模传输的条件。通过增加插板数目,设计了大尺寸情况下的模式转换器,并将其与同轴喇叭有机结合,设计了一个中心频率为7 GHz的新型模式转换天线,可以实现高功率微波源输出TEM模的定向辐射。该模式转换天线的数值计算结果为：增益22.2 dB,口径效率53.7%,中心频率上反射系数为0.07,在6.5~7.5 GHz频率范围内反射系数小于0.3。实验测量结果为：增益21.5 dB,口径效率约46%,在6.5~7.5 GHz频率范围内反射系数约为0.07~0.39。数值计算与实验测量结果基本一致。     

24 GHz宽波束阵列天线的设计

利用Rogers 5880为介质材料设计了一款应用于车载防撞雷达前端的圆极化微带阵列天线,该阵列天线采用直线阵结构,运用了多个四分之一波长阻抗变换器实现了阻抗匹配。仿真和测试结果表明: 该阵列天线的阻抗带宽(S₁₁ < -10 dB)为23.45~25.65 GHz,最大增益为15.54 dB;轴比带宽24.56~25 GHz,轴比最小为1.25 dB;第一副瓣电平小于-20 dB,E面半功率波瓣宽度为10°,H面波瓣宽度为75°,其尺寸为70.94 mm×14.72 mm×0.508 mm。该天线具有高增益、低副瓣、体积小、性能稳定等优点,在汽车防撞雷达系统中有广阔的应用前景。     

宽带Ka波段平面反射阵列天线设计

平面反射阵列天线的发展受到了带宽与功率容量两方面限制。为此,本文首先基于多谐振技术提出了一种新型平面反射阵列单元结构,相比于传统单元,所提出单元结构具有功率容量高、剖面低且相移曲线线性度好的特点。其次利用所提出单元,通过优化阵面特性在Ka波段设计了包含20×20个单元的平面反射阵列天线。最后利用电磁仿真软件进行模拟计算,结果显示在中心频点35 GHz处,天线峰值增益为27.58 dBi,口径效率为52.33%,副瓣小于?16.08 dB,并且在30.41～39.64 GHz频率范围内（相对带宽26.37%）天线增益跌落小于3 dB,并且所设计平面反射阵列天线最大功率容量可以达到 13.99 MW,功率密度为218.54 W/mm2。     

Antenna Performance of a Directly Dug Corrugated Feedhorn for the 150-GHz Band

We have developed a 150 GHz band corrugated feed horn. These corrugated feed horns have been established by a new machining method, which involves digging corrugations through a metal material. We were able to realize E plane and H plane symmetry, low side lobe level, and low cross-polarization level. Measured co-polarization beam patterns above − 35 dB were consistent with the simulated patterns within a designed frequency range. The peak levels of cross-polarization beam patterns were less than − 30 dB. And, the performances were uniform in several horns. In the present paper, we describe the corrugated horn produced by this methods.     

超宽带Cassegrain双反射面天线研究

 为了减小馈线损耗和方便天线旋转,设计了超宽带Cassegrain双反射面天线系统。采用FEKO数值模拟软件在0.2~1.5 GHz频率范围内模拟了不同副反射面直径的4.5 m双反射面天线(焦径比为0.4)的辐射增益,并与相同口径和焦径比的前馈式反射面天线进行了比较。模拟结果表明:当双曲副反射面直径为70 cm,焦距为22.5 cm时,在0.2~1.0 GHz频率范围内,双反射面天线增益比前馈式抛物面天线高1～2 dB;在1.1～1.5 GHz频率范围内,双反射面天线增益比前馈式抛物面天线小1～2 dB。选择直径为70 cm、焦距为22.5 cm的双曲副面与TEM喇叭和4.5 m抛物面组成双反射面天线系统,分别用960 ps和3 ns脉宽的单极脉冲源对天线进行了实验研究。实验结果表明:用960 ps和3 ns脉宽的单极脉冲激励,Cassegrain双反射面天线在70 m轴上远场辐射场波形峰峰值分别为前馈式反射面天线的158%和162%。