沈明旭 李奉民

（中南大學(xué) 航空航天學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙410006）

1 概述

近年來(lái)，高功率脈沖在探雷、拒止武器等軍用領(lǐng)域和地質(zhì)探測(cè)、高強(qiáng)度電磁測(cè)試等民用領(lǐng)域的應(yīng)用，逐漸引起眾多研究機(jī)構(gòu)和人員的極大興趣[1-2]。核電磁脈沖，具有覆蓋面積廣、作用時(shí)間短、峰值場(chǎng)強(qiáng)高、頻譜范圍寬等特點(diǎn)[3]，主要能量集中在低頻部分[4]，能夠通過(guò)天線、線纜、孔縫等多種途徑耦合進(jìn)電子設(shè)備，對(duì)其造成干擾、性能降級(jí)或永久性損傷，其破壞力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)普通的電磁環(huán)境。TEM喇叭天線因其頻帶寬、反射低、增益高以及結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，成為很多高功率脈沖源的發(fā)射天線[5]。但傳統(tǒng)的TEM喇叭天線也有著低頻性能差的缺點(diǎn)，這對(duì)將能量集中于較低頻段的高功率脈沖是很不利的。

為改進(jìn)TEM喇叭天線的低頻輻射性能，國(guó)內(nèi)外學(xué)者開(kāi)展了大量研究工作。陸軍工程大學(xué)石家莊校區(qū)的學(xué)者對(duì)天線尺寸與特性阻抗的關(guān)系、末端加載螺旋線型天線等進(jìn)行了研究，通過(guò)改變天線結(jié)構(gòu)提高低頻輻射性能。中國(guó)工程物理研究院的學(xué)者對(duì)折線型TEM喇叭天線進(jìn)行了研究，可以提高峰值場(chǎng)強(qiáng)，壓縮主瓣寬度。西安理工大學(xué)的學(xué)者從天線端口特性和時(shí)坡輻射特性方面對(duì)末端反射問(wèn)題進(jìn)行了研究，對(duì)TEM喇叭天線陣列的低頻輻射特性進(jìn)行了研究，設(shè)計(jì)了一種四元天線陣列和一種四等分的七節(jié)同軸功分器，在保證陣列低頻帶寬的前提下,提高了天線陣列遠(yuǎn)場(chǎng)輻射電壓。[6-12]

為了增強(qiáng)天線的低頻特性，除了增大喇叭天線的體積，本項(xiàng)目就是利用仿真軟件對(duì)喇叭天線進(jìn)行仿真和優(yōu)化, 在理論計(jì)算的基礎(chǔ)上，運(yùn)用CST 軟件進(jìn)行建模、仿真，并根據(jù)仿真結(jié)果優(yōu)化調(diào)整模型尺寸，設(shè)計(jì)一種新型超寬帶喇叭天線，之后對(duì)天線在高斯脈沖下進(jìn)行仿真，計(jì)算天線的各種輻射特性。

2 天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

普通TEM板型喇叭天線由兩塊張開(kāi)的金屬板組成，是一種較為理想的瞬態(tài)脈沖輻射天線，如圖1 所示。它可以作為電磁脈沖系統(tǒng)中的場(chǎng)形成裝置進(jìn)行試驗(yàn)?，F(xiàn)對(duì)以上普通TEM喇叭天線作如下改進(jìn)：采用如圖2 所示的改進(jìn)方法，在天線末端開(kāi)口形成背心狀并增加封閉式的巴倫結(jié)構(gòu)，并不影響無(wú)人機(jī)的風(fēng)阻和其飛行性能，還增大了電路中的電流長(zhǎng)度，能改善天線低頻的性能，減少后方輻射波的損耗。

圖1 瞬態(tài)脈沖輻射天線圖

圖2 添加巴倫后天線圖

喇叭段主要實(shí)現(xiàn)從波導(dǎo)到自由空間處的一種阻抗過(guò)渡結(jié)構(gòu)，其阻抗過(guò)渡的平滑性將直接影響著天線的回波損耗以及其他性能。其中喇叭口徑面的大小由天線的增益和口面相差的要求來(lái)決定[13]，設(shè)計(jì)的主體在于口徑面大小以及結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。當(dāng)喇叭段阻抗Z 滿足式(1)和(2)時(shí)，其阻抗過(guò)渡的平滑性較好[14]。

圖3 高斯脈沖激勵(lì)信號(hào)圖

圖4 改進(jìn)前后天線的駐波比對(duì)比圖

圖5 改進(jìn)前后天線在2GHz 下方向圖對(duì)比圖

其中，A 可由喇叭段頸部處雙脊間的距離來(lái)確定，其值為雙脊間距離的一半；k 和C 可根據(jù)喇叭段的中點(diǎn)坐標(biāo)和終點(diǎn)坐標(biāo)來(lái)確定，式（3）中加入線性項(xiàng)的目的是改善低頻端的性能。曲線方程經(jīng)過(guò)優(yōu)化后，板面彎曲方程以及喇叭側(cè)面曲線方程分別確定為：

對(duì)這兩種天線做CST 仿真，采用如圖3 所示的脈沖激勵(lì)信號(hào)，并對(duì)兩種天線的駐波比和方向性進(jìn)行對(duì)比。對(duì)比圖如圖4、圖5 所示?？梢钥闯鏊扇〉奶炀€改進(jìn)措施不僅拓寬了天線低頻時(shí)的性能，不影響無(wú)人機(jī)的飛行性能，也減少了輻射波的損耗，方向性也有所提高。

3 結(jié)論

本文基于天線輻射原理設(shè)計(jì)了一種背心形超寬帶喇叭天線，直接加載于50Ω 的同軸波導(dǎo)上，通過(guò)優(yōu)化天線結(jié)構(gòu)提高了輻射特性以及能力。仿真結(jié)果表明,天線具有低反射、寬頻帶、高增益等優(yōu)點(diǎn), 本文設(shè)計(jì)的天線輻射特性完全滿足無(wú)人機(jī)平臺(tái)上搭載的干擾天線的要求，因此具有很強(qiáng)的應(yīng)用價(jià)值。