蘆藝兵，周 星，張希軍，楊清熙，劉克順

(陸軍工程大學(xué)石家莊校區(qū)電磁環(huán)境效應(yīng)重點實驗室，石家莊050000)

TEM喇叭天線是一種方向性較好的時域天線，具有阻抗高、頻帶寬、體積相對較小、移動方便等優(yōu)點。但TEM喇叭天線末端突然截斷會導(dǎo)致能量傳播到天線末端時產(chǎn)生反射，輻射波形有較長的拖尾，影響輻射性能[1-2]。這種現(xiàn)象在低頻時更為明顯[3]，且會對饋源產(chǎn)生影響。

為改進(jìn)TEM喇叭天線的低頻輻射性能，國內(nèi)外學(xué)者開展了大量研究工作。陸軍工程大學(xué)王赟、王慶國等對末端加載螺旋線型天線及天線尺寸與特性阻抗的關(guān)系進(jìn)行了研究，通過改變天線結(jié)構(gòu)提高低頻輻射性能[4-7]。西安電子科技大學(xué)田春明等給出了一種新型核電磁脈沖輻射波模擬器天線,并用時域有限差分方法分析和優(yōu)化了天線的結(jié)構(gòu)[8]。中國工程物理研究院謝平等對折線型TEM喇叭天線進(jìn)行了研究，可以提高電場強度峰值，壓縮主瓣寬度[9]。西安理工大學(xué)馮強等從天線端口特性和時域輻射特性方面對末端反射問題進(jìn)行了研究，同時對TEM喇叭天線陣列的低頻輻射特性進(jìn)行了研究，設(shè)計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,提高了天線陣列的遠(yuǎn)場輻射電壓[10-11]。西安理工大學(xué)與西北核技術(shù)研究所原艷寧等通過優(yōu)化設(shè)計饋電端的巴倫結(jié)構(gòu)，及對指數(shù)型TEM喇叭天線末端進(jìn)行分布式阻抗匹配，提升了端口特性和輻射特性[12]。中國直升機設(shè)計研究所李強兵等通過在天線同軸饋電端口內(nèi)外導(dǎo)體間填充尼龍，增加了天線的功率容量，同時通過加載補償回路拓展了天線的低頻頻寬[13]。

TEM喇叭天線已被廣泛深入地研究，多用于超寬帶通信、雷達(dá)、高功率微波、電磁場測試等領(lǐng)域。在核電磁脈沖模擬系統(tǒng)的應(yīng)用中，如何改進(jìn)TEM喇叭天線，使其在小型化的基礎(chǔ)上更輕量化，并具有較好的低頻輻射性能，還需要深入研究。

1線柵型天線分析

TEM板型喇叭天線由兩塊張開的三角形金屬板組成，是一種較為理想的瞬態(tài)脈沖輻射天線，可作為電磁脈沖試驗系統(tǒng)中的輻射場形成裝置進(jìn)行效應(yīng)研究。為使天線更加輕量化，可用均勻分布的金屬導(dǎo)線代替天線極板，形成線柵型天線。當(dāng)線柵型天線根數(shù)較少時，線柵之間的間距較大，存在高頻電磁泄漏；當(dāng)線柵根數(shù)較多時，線柵間距較小，可近似為板型天線。

為了研究將板型天線改成線柵型后天線輻射場的變化，采用CST MicroWave Studio 2019(CST)電磁仿真軟件對板型和線柵型天線進(jìn)行了時域仿真。天線長、寬、高分別為2 550，2 200，2 136 mm；天線材料為理想導(dǎo)體；板型天線的厚度為2 mm：線柵型天線線柵的直徑為2 mm；線柵根數(shù)為5根。在CST電磁仿真軟件中建立板型與線柵型TEM喇叭天線模型，如圖 1所示。

(a)Plate antenna

(b)Wire grid antenna

在天線兩個極板頂點處采用離散端口饋電。激勵信號采用雙指數(shù)脈沖，電壓峰值為150 kV，上升時間為2.3 ns，半峰值脈寬為23 ns，頻率范圍為0～300 MHz，波形如圖 2所示。

圖2激勵脈沖波形Fig.2Excitation pulse waveform

圖3為線柵型天線與板型天線的反射波形對比。由圖3可見，板型天線與線柵型天線的反射波形差別不大。圖4為板型和線柵型TEM喇叭天線中心軸上，距口徑面0.5 m處的輻射場波形。由圖 4可見，第2個波峰是天線末端開路造成的反射。仿真結(jié)果表明，當(dāng)金屬線柵根數(shù)為5根時，線柵型TEM喇叭天線存在高頻電磁泄漏，電場強度峰值略有降低，上升時間略增大，脈寬變化不大，但這些變化很小，這表示將板型天線改成線柵型后，對輻射性能影響較小。因此，在工程上可以使用線柵型天線代替板型天線，減小重量和風(fēng)阻。

圖3線柵型天線與板型天線的反射波形對比Fig.3Comparison of reflected waveforms betweenwire grid antenna and plate antenna

圖4線柵型天線與板型天線輻射場波形對比Fig.4Comparison of radiation field waveforms between wire grid antenna and plate antenna

為了研究線柵根數(shù)對輻射場的影響，仿真分析了不同線柵根數(shù)的輻射場，相關(guān)參數(shù)如表 1所列。

表1不同線柵根數(shù)下的輻射場波形參數(shù)Tab.1Radiation field waveform data ofdifferent number of wire grids

表1中Ep為天線中心軸上距口徑面0.5 m輻射場電場強度峰值；tpw為半峰值脈寬；tr為上升時間。由表1可見，隨著線柵根數(shù)的增加，輻射場的電場強度峰值升高，上升時間變小，即高頻泄漏減少，半峰值脈寬改變不大。當(dāng)線柵根數(shù)增加到11根，即線柵間距為220 mm時，再增加線柵根數(shù)對電場強度峰值及上升時間影響不大。

2線柵型天線結(jié)構(gòu)尺寸優(yōu)化

TEM喇叭天線結(jié)構(gòu)的主要參數(shù)包括天線長度l，天線極板間張角θ，天線極板的頂角φ等。保持天線極板間張角θ和天線極板頂角φ取值不變，天線長度l分別為1，2，2.5，3，4，5 m時，計算得到Ep，tpw，tr，如表 2所列。由表2可知，隨著天線長度的增加，輻射場的半峰值脈寬和上升時間增加，電場強度峰值降低，這是因為天線變長時能量會更多地分布于天線極板間，流入近場區(qū)的能量變少。天線長度需合理取值，太小難以保證合適的輻射場脈寬，太大會導(dǎo)致電場強度峰值較低和上升時間較長。

表2天線長度對輻射場的影響Tab.2Influence of antenna length on radiation field

為了使電場強度波形滿足上升時間小于2.8 ns，半峰值脈寬大于18 ns，取天線長度為2.5 m。保持天線長度l和天線極板頂角φ不變，觀察天線極板間張角θ對輻射場波形的影響。由于天線張角過大時輻射場方向性會變差，取θ為15°,30°,45°,60°,75°。

圖5為不同天線極板間張角條件下輻射場的電場強度波形。由圖5可見，隨著θ的增大，電場強度峰值逐漸變低，脈寬逐漸增加。這是由于TEM喇叭天線的波前是球面，增大張角時，從饋源到天線口徑面邊沿和中心軸處的波程差也會增大，導(dǎo)致輻射場的電場強度峰值降低。天線極板間張角需合理取值，太小難以保證合適的輻射場脈寬，太大會導(dǎo)致電場強度峰值較低。因此，本文取θ=45°。

圖5不同天線極板間張角條件下輻射場波形Fig.5Radiation field waveforms under different tension angles between antenna plates

保持天線長度l=2.5 m和天線極板間張角θ=45°取值不變，令天線極板頂角φ分別為15°，30°，45°，60°，75°，觀察輻射場的變化。表3為天線極板頂角對輻射場的影響，圖6為不同極板頂角條件下輻射場的電場強度波形。

表3天線極板頂角對輻射場的影響Tab.3Influence of antenna plate apex angle on radiation field

圖6不同極板頂角條件下輻射場波形Fig.6Radiationfield waveforms under different apex angles of plates

由表3可見，隨著天線極板頂角的增大，輻射場的脈寬與上升時間均增加，在天線極板頂角較小時，電場強度峰值隨天線極板頂角的增加而增加，當(dāng)天線極板頂角超過60°后，電場強度峰值已不再增加。由圖 6可見，當(dāng)天線極板頂角增加至60°時，輻射場波形發(fā)生了改變，繼續(xù)增大φ值，對波形有較大影響。在不改變天線長度和天線極板間張角的情況下，增大頂角意味著口徑面寬度增加。說明口徑面寬度有一個最大值，并不能無限增大。因此，天線極板頂角需取合適的值，頂角較小時輻射場電場強度峰值及脈寬均較小，頂角較大時會影響輻射場波形。本文取φ=45°。

3一種新型線柵型天線

本文所設(shè)計的線柵型天線的長、寬、高分別為2 550，2 200，2 955 mm。其特性阻抗為

≈175.27 Ω (1)

其中，w和h分別為天線口徑面的寬度和高度。輻射場的波阻抗為377 Ω，因此，可將TEM喇叭天線末端結(jié)構(gòu)設(shè)計成漸變型，將天線末端向外卷起，形成卷邊型TEM喇叭天線。由于張角逐漸變大，特性阻抗也逐漸變大，減小了波阻抗與自由空間波阻抗的差別，增加了電流回流路徑。

另外，對于低頻輻射，標(biāo)準(zhǔn)TEM喇叭天線端口相當(dāng)于開路，能量傳播到端口時會產(chǎn)生反射。為了減小端口反射，將天線末端進(jìn)行背部電阻加載。電磁波能量在傳播過程中，電場與磁場能量相互轉(zhuǎn)化，電場與磁場能量相等時才能傳播的更遠(yuǎn)。TEM喇叭天線的上下極板集聚電荷形成電偶極子p，背部加載回流回路相當(dāng)于一個磁振子mb，在TEM喇叭天線上下極板間形成電-磁振子互補結(jié)構(gòu)，增大了天線的輻射能流密度，擴(kuò)展了天線的工作頻帶。電-磁振子互補結(jié)構(gòu)如圖 7所示，圖8為CST電磁仿真軟件中建立的新型線柵型TEM喇叭天線模型。

圖7電-磁振子互補結(jié)構(gòu)原理圖Fig.7Schematic diagram of complementarystructure of electro-magnetic vibrator

圖8新型線柵型TEM喇叭天線模型Fig.8Model of new wire grid TEM horn antenna

傳統(tǒng)線柵型天線與新型線柵型天線的反射波形對比，如圖9所示。反射信號的第1個波峰是由于天線特性阻抗和饋電端口不匹配生成的。第2個波峰是由于天線口徑面與自由空間波阻抗不匹配造成。由圖9可見，新型天線的第2個反射峰較小，表明該結(jié)構(gòu)能有效改善天線的反射特性。

圖9傳統(tǒng)線柵型結(jié)構(gòu)天線與新型線柵型天線的反射波形對比Fig.9Comparison of reflected waveforms betweentraditional wire grid antenna and new wire grid antenna

傳統(tǒng)線柵型和新型線柵型TEM喇叭天線中心軸上距口徑面0.5 m處輻射場波形的參數(shù)如表4所列，電場強度波形如圖10所示。新型線柵型天線的電場強度峰值與脈寬均比傳統(tǒng)線柵型天線大，輻射場的電場強度峰值提升了26%，為13.08 kV·m-1，半峰值脈寬提升了5.13 ns，上升時間相差不大，端口面反射特性得到了較大的改良。

表4傳統(tǒng)線柵型天線與新型線柵型天線輻射場波形參數(shù)對比Tab.4Comparison of the field parameters of a new wire grid type antenna with a traditional one

圖10傳統(tǒng)線柵型結(jié)構(gòu)天線與新型 線柵型天線輻射場波形對比Fig.10Comparison of radiation field waveforms oftraditional wire grid antenna with new wire grid antenna

4實驗驗證

為了驗證所設(shè)計天線的有效性，加工制造天線實物，搭建輻射式電磁脈沖試驗系統(tǒng)。天線采用11根鋼絲線制成，用特制天線架進(jìn)行支撐，采用50 Ω同軸線饋電，100 kV電壓激勵。實測天線長度為2.5 m，天線極板頂角和極板間張角均為45°，天線特性阻抗約為180 Ω。輻射式電磁脈沖試驗系統(tǒng)由電磁脈沖源、線柵型TEM喇叭天線及輻射場測量裝置組成。電磁脈沖源采用雙電容并聯(lián)充電，開關(guān)觸發(fā)方式為機械觸發(fā)，用SF6氣體進(jìn)行絕緣。同時用遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)對脈沖源進(jìn)行控制，提高了工作可靠性和穩(wěn)定性。通過天線極性設(shè)計調(diào)節(jié)饋電結(jié)構(gòu)，可進(jìn)行天線垂直極化與水平極化實驗。脈沖電場測量裝置將測得的信號通過光纖傳輸?shù)绞静ㄆ髦?，進(jìn)行輻射場電場強度波形的觀察與記錄。

分別在垂直極化與水平極化方式下，對傳統(tǒng)線柵型TEM喇叭天線與新型線柵型TEM喇叭天線進(jìn)行對比實驗，實驗現(xiàn)場及結(jié)果如圖11與圖12所示。由圖11和圖12的實測波形可見，新型線柵型天線可有效減小天線末端反射，改善輻射場波形，增加輻射場的峰值與脈寬，驗證了仿真結(jié)果。

(a)Test system of traditional wire grid TEM horn antenna

(b)Test system of new wire grid TEM horn antenna

(c)Measured waveform of traditional wire grid antenna

(d)Measured waveform of new wire grid antenna

(a)Test system of traditional wire grid TEM horn antenna

(b)Test system of new wire grid TEM horn antenna

(c)Measured waveform of traditional wire grid antenna

(d)Measured waveform of new wire grid antenna

5結(jié)論

在板型、線柵型TEM喇叭天線數(shù)值仿真的基礎(chǔ)上，針對TEM喇叭天線的脈沖拖尾及低頻輻射能力較低的問題，提出了一種末端卷邊、背部加載電阻的新型線柵型TEM喇叭天線結(jié)構(gòu)，構(gòu)建了輻射式電磁脈沖試驗系統(tǒng)。數(shù)值仿真與實驗結(jié)果均表明：

1) 線柵型天線可以代替板型天線進(jìn)行電磁脈沖試驗，它對電場強度峰值、半峰值脈寬及上升時間的影響較小，且在工程上線柵型天線比板型天線質(zhì)量更小，便于拆裝和移動。

2) 線柵根數(shù)增加可減小高頻泄漏，增加電場強度峰值，縮短上升時間，半峰值脈寬改變不大；當(dāng)線柵根數(shù)增加到11根時，電場強度峰值及上升時間變化變??；隨著天線長度的增加，輻射場的半峰值脈寬和上升時間均增加，電場強度峰值降低；隨著天線極板間張角增大，電場強度峰值降低，半峰值脈寬增加；在天線極板頂角較小時，增大頂角會增加輻射場的半峰值脈寬與上升時間，但頂角較大時會影響輻射場電場強度波形。因此，本文通過優(yōu)化設(shè)計，最終選取線柵根數(shù)為11根，天線長度2.5 m，天線極板頂角與極板間張角均為45°。

3) 與傳統(tǒng)線柵型TEM喇叭天線相比，新型線柵型天線近場電場強度峰值提升了26%，半峰值脈寬提升了5.13 ns，天線低頻輻射能力有效提升。

實驗結(jié)果表明，本文所設(shè)計新型線柵型天線的輻射場波形反射更小，更接近標(biāo)準(zhǔn)波形。