超寬帶TEM喇叭天線的低頻分離回路設(shè)計(jì)

徐曉敏 廖 成 陳凱亞 張 敏 馮 菊

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超寬帶TEM喇叭天線的低頻分離回路設(shè)計(jì)

徐曉敏 廖 成*陳凱亞 張 敏 馮 菊

(西南交通大學(xué)電磁場(chǎng)與微波技術(shù)研究所 成都 610031)

在超寬帶TEM喇叭天線的設(shè)計(jì)中，往往由于低頻性能優(yōu)化和天線小型化兩者難以兼顧，而使得其應(yīng)用受到限制。該文針對(duì)低頻的反射問(wèn)題，基于帶通濾波器并聯(lián)的設(shè)計(jì)思路，且區(qū)別于傳統(tǒng)天線末端的低頻反饋回路結(jié)構(gòu)，提出在超寬帶TEM喇叭天線饋電過(guò)渡結(jié)構(gòu)上設(shè)計(jì)低頻分離回路結(jié)構(gòu)，減少低頻分量在天線末端的反射，從而改善天線的低頻性能。采用該設(shè)計(jì)思路，對(duì)一款超寬帶TEM喇叭天線的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)并實(shí)現(xiàn)其優(yōu)化設(shè)計(jì)。通過(guò)對(duì)比改進(jìn)前后的天線性能，其阻抗帶寬的低頻降至0.1 GHz，拓展了12.5%，同時(shí)天線端口饋電效率提升10%，結(jié)果驗(yàn)證了該設(shè)計(jì)思路和方法對(duì)于超寬帶TEM喇叭天線低頻優(yōu)化的有效性。最終，對(duì)阻抗特性以及該結(jié)構(gòu)在不同頻點(diǎn)下電流分布的分析，進(jìn)一步證實(shí)新思路的可行性。

天線；TEM喇叭；超寬帶；低頻分離結(jié)構(gòu)；帶通結(jié)構(gòu)

1 引言

TEM喇叭天線具備良好的超寬帶特性，適用于軍事、通信等多種領(lǐng)域，即便是較高功率需求的應(yīng)用場(chǎng)合也能適用，是最為常用的超寬帶脈沖輻射天線。然而，TEM喇叭天線在設(shè)計(jì)和優(yōu)化上也面臨著一些挑戰(zhàn)。應(yīng)用傳輸線理論進(jìn)行分析，TEM喇叭天線的結(jié)構(gòu)對(duì)于低頻段信號(hào)相當(dāng)于開(kāi)端的傳輸線，其低頻部分的電磁波往往會(huì)被天線反射，進(jìn)而對(duì)信號(hào)源存在潛在的危害。因此，有效降低低頻截止頻率，同時(shí)盡量減少低頻直接反射，對(duì)拓展超寬帶TEM喇叭天線的應(yīng)用十分必要。

提高天線低頻輻射性能最直接的解決方法，就是增大天線尺寸。文獻(xiàn)[5]基于傳輸線理論粗略估計(jì)TEM喇叭天線的口徑面高度至少達(dá)到半波長(zhǎng)時(shí)才能輻射相應(yīng)的頻率分量。依據(jù)這一關(guān)系估計(jì)，若要保證較低頻段電磁波的輻射，則天線尺寸將急劇增大，在某些對(duì)天線尺寸有上限要求的實(shí)際應(yīng)用中并不可取。因此，對(duì)超寬帶TEM喇叭天線的低頻性能的優(yōu)化，國(guó)內(nèi)外學(xué)者展開(kāi)了一些研究。主要可以分為幾類(lèi)。一是采取末端加載技術(shù)[6,7]，這種方式往往間接增大了天線口徑面積；二是直接對(duì)天線原末端邊緣進(jìn)行形變，其原理與天線末端加載類(lèi)似，但效果并不明顯；三是采用適當(dāng)?shù)陌蛡愒O(shè)計(jì)，常見(jiàn)有U型巴倫[9,10]、平面巴倫[12]等；四是低頻回路補(bǔ)償技術(shù)，利用金屬的外框構(gòu)成反饋回路結(jié)構(gòu)引導(dǎo)低頻信號(hào)，使回路電阻吸收一定部分的低頻能量，從而減小反射，改善低頻性能。然而由于傳統(tǒng)反饋回路結(jié)構(gòu)給天線整體添加了外框，不可避免地使得天線的整體體積增大。另外，其設(shè)計(jì)思路和原理也多局限于天線末端電阻加載，目前文獻(xiàn)中所展示出的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)大都趨于相同。

與傳統(tǒng)的末端電阻加載不同，本文將等效濾波結(jié)構(gòu)的概念應(yīng)用到3維結(jié)構(gòu)的時(shí)域天線中，提出把超寬帶TEM喇叭天線視為帶通系統(tǒng)，并以帶通電路并聯(lián)關(guān)系為理論基礎(chǔ)，構(gòu)建低頻的通帶結(jié)構(gòu)作為分離回路，以減少由于不必要的低頻信號(hào)進(jìn)入輻射極板后產(chǎn)生的能量反射，從而改善超寬帶TEM喇叭天線的低頻特性。等效濾波結(jié)構(gòu)在2維平面結(jié)構(gòu)(微帶)天線中的應(yīng)用已有不少的研究，如諧波抑制微帶天線等；而低頻分離回路的設(shè)計(jì)，將這一應(yīng)用拓展至3維，為3維時(shí)域天線低頻性能優(yōu)化提供一種新的思路。

2 天線結(jié)構(gòu)與回路設(shè)計(jì)

2.1天線初始結(jié)構(gòu)及傳統(tǒng)反饋回路

超寬帶TEM喇叭天線的初始結(jié)構(gòu)如圖1(a)(簡(jiǎn)稱(chēng)天線1)。天線1主射軸向上整體長(zhǎng)約1.1 m，整體為三段式結(jié)構(gòu)：直線段、圓弧段和指數(shù)段，如圖1(b)，圖1(c)所示。直線段的規(guī)則矩形平行極板作為過(guò)渡結(jié)構(gòu)，采用同軸線與其垂直的方式對(duì)天線進(jìn)行饋電，另一端則直接連接輻射極板的喉部。設(shè)計(jì)中為了盡量減小連接處的不連續(xù)性，三段極板的連接處均相切。

圖1 天線1的幾何結(jié)構(gòu)

經(jīng)過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)，得到天線1主要結(jié)構(gòu)的一組最優(yōu)尺寸：口徑面高度=700.4 mm，寬度=622.6 mm，輻射極板輻射向投影長(zhǎng)度1=827.8 mm，其中圓弧段投影長(zhǎng)度2=543.2 mm，對(duì)應(yīng)曲率半徑為1=1117.3 mm,2=1345.8 mm，指數(shù)段對(duì)應(yīng)調(diào)節(jié)指數(shù)=0.842,=0.862，平行極板長(zhǎng)度3= 118.2 mm，寬度=106.8 mm，間距=40.72 mm。

若依據(jù)傳統(tǒng)的回路設(shè)計(jì)方法，從正負(fù)極板引出的兩條反饋回路并聯(lián)，其合阻抗等于天線端口處的特性阻抗，從而使低頻回路匹配，并利用電阻加載消耗回流的信號(hào)能量[13]，其等效電路如圖2所示。

2.2低頻分離回路原理及天線改進(jìn)

本文提出的低頻分離回路是作用在饋電端口與輻射喉部之間的過(guò)渡結(jié)構(gòu)中的，即在激勵(lì)信號(hào)進(jìn)入輻射極板之前，盡量減少原低頻截止頻率附近的低頻段激勵(lì)進(jìn)入喇叭輻射結(jié)構(gòu)，即把部分低頻激勵(lì)從總的激勵(lì)中分離開(kāi)，這與圖2中傳統(tǒng)的低頻反饋回路設(shè)計(jì)一般都采用末端加載的方式明顯不同，為了區(qū)別，因而稱(chēng)之為低頻分離回路。

圖2 傳統(tǒng)低頻回路等效電路

實(shí)現(xiàn)低頻分離的理論基礎(chǔ)是電路中的濾波器并聯(lián)電路。在電路中，要展寬一個(gè)簡(jiǎn)單帶通電路的低頻截止頻率，通常可以采用通帶合成的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)，如圖3(a)示意。圖3(b)給出了相應(yīng)的頻譜關(guān)系，輸入信號(hào)的頻譜(L~H)被分成了兩個(gè)通帶，電路1對(duì)應(yīng)的通帶1(頻率范圍：l~H)，電路2對(duì)應(yīng)的通帶2(頻率范圍：L~h)。當(dāng)原電路僅有帶通濾波電路1時(shí)，電路的通頻帶對(duì)應(yīng)于圖3(b)的通帶1；而當(dāng)電路1并聯(lián)上帶通濾波電路2時(shí)，輸入信號(hào)中的部分信號(hào)(通帶2)則被分離出來(lái)，從電路2中完成傳輸，以減少信號(hào)反射。

圖3 電路中通頻帶分離示意圖

與之類(lèi)似，有限阻抗帶寬的時(shí)域天線在工作頻帶內(nèi)對(duì)激勵(lì)信號(hào)有效響應(yīng)，而帶外激勵(lì)則被較大反射?；谶@種相似性，圖4以TEM喇叭天線為例，其天線部分一般可以等效為一個(gè)輻射阻抗Z，輻射帶寬有限，可將其視為帶通電路，而低頻回路結(jié)構(gòu)則可以為一部分信號(hào)提供另一條通路，利用這條通路，使得原本在輻射極板末端被反射的部分低頻信號(hào)在其進(jìn)入輻射極板前即被分離，從而有效地降低低頻的反射。

圖4 TEM喇叭天線結(jié)構(gòu)改進(jìn)

基于這一思路對(duì)天線進(jìn)行改進(jìn)，利用帶通結(jié)構(gòu)來(lái)建立低頻分離回路，得到帶回路的喇叭天線(簡(jiǎn)稱(chēng)改進(jìn)后天線)，如圖5所示。該天線相較于天線1，其平行極板和輻射極板的幾何結(jié)構(gòu)均不作改動(dòng)，僅在天線后部添加一個(gè)新的低頻分離回路結(jié)構(gòu)(后文簡(jiǎn)稱(chēng)為分離回路結(jié)構(gòu))。分離回路結(jié)構(gòu)是由上下對(duì)稱(chēng)的平行金屬板連接一個(gè)部分柱面結(jié)構(gòu)的金屬片組成，其中，下平板與同軸饋線的外導(dǎo)體表面連接，上平板與天線1的上平行極板平行，構(gòu)成一個(gè)平行板電容器結(jié)構(gòu)?？紤]到平行板結(jié)構(gòu)的電容特性和環(huán)形回路結(jié)構(gòu)的電感特性，假設(shè)以簡(jiǎn)單的RLC串聯(lián)諧振電路(窄帶通)去等效該分離回路結(jié)構(gòu)，并且令諧振中心頻率滿足：

同時(shí)盡量使得諧振處窄通帶的上限頻率h接近原低頻截止頻率L，由此即可實(shí)現(xiàn)如圖3(b)基于通帶合成的阻抗帶寬擴(kuò)展。

圖5 改進(jìn)后天線的幾何結(jié)構(gòu)

考慮到反饋回路設(shè)計(jì)與天線本身相互影響，目前還沒(méi)有較為準(zhǔn)確的方法來(lái)估算3維復(fù)雜結(jié)構(gòu)的分布參數(shù)，因此在設(shè)計(jì)時(shí)可結(jié)合優(yōu)化算法來(lái)獲取最優(yōu)尺寸參數(shù)，減少設(shè)計(jì)復(fù)雜程度。

3 數(shù)值結(jié)果與分析

3.1天線的改進(jìn)設(shè)計(jì)

基于2.2節(jié)的原理分析，采用圖5所示的3維低頻分離回路結(jié)構(gòu)對(duì)初始天線進(jìn)行改進(jìn)。經(jīng)過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)，得到該分離回路結(jié)構(gòu)的尺寸為：4=142.5 mm,=36.33 mm,=53.44 mm。

為了分析改進(jìn)結(jié)果，采用脈寬為2 ns的高斯脈沖作為激勵(lì)，對(duì)改進(jìn)前后的天線分別進(jìn)行模擬計(jì)算，得到對(duì)比結(jié)果。

圖6展示了兩個(gè)天線在0.09~1.20 GHz頻率區(qū)間內(nèi)的電壓駐波比(VSWR)曲線對(duì)比。結(jié)果表明，相比于天線1，頻率在處于0.09~0.20 GHz范圍內(nèi)時(shí)，改進(jìn)后天線的VSWR曲線明顯降低，滿足了小于2的同時(shí)，對(duì)其他頻點(diǎn)的影響并不明顯。通過(guò)分別計(jì)算改進(jìn)前后天線激勵(lì)端口反射波的頻譜并對(duì)比，改進(jìn)后天線在0.10~0.20 GHz頻率區(qū)間的反射能量被明顯抑制，幅值上僅約為原來(lái)的50%，這一部分信號(hào)反射的降低，是提高饋電效率[20]的主要促成因素。根據(jù)計(jì)算，天線1饋電效率為63.20%，而改進(jìn)后天線的饋電效率為73.01%，相比提高近10%。通過(guò)對(duì)比改進(jìn)前后天線的阻抗帶寬，可以直觀地看出低頻分離回路設(shè)計(jì)的有效性。

低頻分離回路的添加使得天線阻抗帶寬向低頻方向展寬了約12.5%，并且對(duì)原有遠(yuǎn)場(chǎng)輻射波形的影響并不明顯。圖7對(duì)比了天線主射方向上的遠(yuǎn)場(chǎng)輻射波形，其波形的主要部分完全吻合，僅波形尾部存在較小的差異，可見(jiàn)兩條曲線有較為良好的吻合度，這表明改進(jìn)后的天線在減小了低頻反射的基礎(chǔ)上，仍能夠較好地保持原有天線性能。圖8(a)進(jìn)一步細(xì)致對(duì)比了天線改進(jìn)前后工作在0.15 GHz和0.30 GHz時(shí)的遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖。當(dāng)天線工作在0.15 GHz時(shí)，改進(jìn)后天線的主波束完全偏離方向(原主射方向)，偏向分離回路的開(kāi)口方向，且增益明顯降低；當(dāng)天線工作在0.30 GHz時(shí)，改進(jìn)后天線的增益有所提高，并且主波束右側(cè)的副瓣明顯降低。這表明分離回路結(jié)構(gòu)有效地分離了0.15 GHz附近頻點(diǎn)的激勵(lì)信號(hào)，并通過(guò)一定的輻射減少能量返回激勵(lì)源，同時(shí)，分離回路結(jié)構(gòu)并沒(méi)有破壞0.30 GHz處的天線輻射性能。另外，超寬帶時(shí)域天線的輻射特性常用歸一化能量方向圖來(lái)描述，如圖8(b)所示。通過(guò)對(duì)比，改進(jìn)前后天線的歸一化能量方向圖波束主瓣較為吻合，改進(jìn)后的副瓣向后偏轉(zhuǎn)，且后瓣降低約2 dB，可見(jiàn)天線改進(jìn)后仍保持了較好的前向輻射性能。

圖6 VSWR曲線對(duì)比??????????圖7 主射方向遠(yuǎn)場(chǎng)輻射波形對(duì)比

3.2 低頻分離回路分析

根據(jù)圖5的低頻分離回路結(jié)構(gòu)，平行極板間距和圓環(huán)結(jié)構(gòu)半徑是影響分離回路結(jié)構(gòu)性能的主要參數(shù)，圖9(a)和圖9(b)分別考察兩者對(duì)VSWR曲線的影響。從曲線上看，兩個(gè)參數(shù)的變化對(duì)0.1~0.2 GHz頻段內(nèi)的VSWR參數(shù)均有影響，并存在一個(gè)最優(yōu)值使得該頻段范圍內(nèi)的VSWR降到2以下。另外，極板間距還對(duì)1 GHz以上的頻段有明顯影響。

根據(jù)11參數(shù)分別計(jì)算兩種天線的饋電端口特性阻抗。圖10表明了饋電端口在擴(kuò)展的帶寬(即0.1~0.2 GHz)范圍內(nèi)，其特性阻抗明顯減小，而其他頻段的阻抗變化未受太大影響。進(jìn)一步，通過(guò)并聯(lián)關(guān)系，由圖10曲線反推計(jì)算得到分離回路結(jié)構(gòu)的阻抗曲線，如圖11所示。曲線在0.1~0.2 GHz附近區(qū)域的幅值明顯較小，恰好符合帶通的特性，可見(jiàn)，分離回路結(jié)構(gòu)為該頻段范圍內(nèi)的信號(hào)提供了較好匹配的通路，這與開(kāi)始的設(shè)計(jì)思路吻合，說(shuō)明了其合理性。

不同頻點(diǎn)表面電流的對(duì)比可以更直觀地說(shuō)明分離回路結(jié)構(gòu)的作用效果。圖12顯示了0.1 GHz頻點(diǎn)上的最大電流值大于其他3個(gè)頻點(diǎn)上的最大電流值，這表明分離回路結(jié)構(gòu)對(duì)0.1 GHz頻點(diǎn)附近的頻率具備一定的選擇效果，為0.1~0.2 GHz附近(由圖11中阻抗曲線體現(xiàn))的低頻部分提供了回流通路，與設(shè)計(jì)目標(biāo)符合，表明設(shè)計(jì)思路的正確性。

圖8 天線方向圖對(duì)比

圖9 VSWR隨參數(shù)變化曲線

圖10 饋電端口阻抗隨頻率變化曲線????????圖11 分離回路結(jié)構(gòu)阻抗隨頻率變化曲線

圖12 低頻分離結(jié)構(gòu)表面電流隨頻率變化對(duì)比(從左到右，依次為0.1 GHz, 0.3 GHz, 0.7 GHz, 1.0 GHz；回路結(jié)構(gòu)電流數(shù)值分布在圖例的虛線框中體現(xiàn)，深色表示數(shù)值較小)

4 結(jié)論

基于帶通結(jié)構(gòu)并聯(lián)設(shè)計(jì)思路，以超寬帶TEM喇叭天線單元為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)并結(jié)合優(yōu)化算法得到一種等效為帶通電路的低頻分離回路結(jié)構(gòu)。改進(jìn)后天線的阻抗帶寬向低頻擴(kuò)展了12.5%，低頻截止頻率達(dá)到0.1 GHz，端口處饋電效率73.01%，提升近10%，減小了能量反射，達(dá)到設(shè)計(jì)目的。通過(guò)分析，該結(jié)構(gòu)在0.1~0.2 GHz區(qū)間內(nèi)的阻抗明顯較小，同時(shí)其表面電流在該頻率區(qū)間內(nèi)相對(duì)較大，表明該分離回路結(jié)構(gòu)具備類(lèi)似于帶通的效果，從而驗(yàn)證了設(shè)計(jì)思路和方法的可行性。這種頻率分離的設(shè)計(jì)思路也為3維時(shí)域天線的低頻優(yōu)化設(shè)計(jì)、3維帶阻天線的設(shè)計(jì)提供另一種思路導(dǎo)向。

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Design of Low-frequency Separation Structure for Ultra-wideband TEM Horn Antenna

XU Xiaomin LIAO Cheng CHEN Kaiya ZHANG Min FENG Ju

()

In the design of ultra wideband TEM horn antenna, it is difficult to combine both the character optimization in low frequency and the miniaturization of an antenna, which always limits the usage of TEM horns in some applications. For the problem of low-frequency reflection, a structure, which is referred to the principle of band-pass filters in parallel and different from the conventional ones, is proposed in this paper for separating a fraction of low-frequency electric field component on the plates linking excitation port to radiation plates. It can greatly reduce the reflection of low-frequency component at the edge of radiation plates to improve the low frequency character of the antenna. In this paper, an ultra-wideband TEM horn antenna improved with the proposed structure is presented. Finally, the comparison of the improved antenna and the original one is exhibited, which shows that the impedance bandwidth is 12.5% wider with the low-cutoff frequency decreasing to 0.1 GHz and simultaneously the port-feed efficiency is increasing by 10%. The results confirm the validity of the proposed design to optimize the low frequency character. The feasibility is also validated in the end by analyzing the impedance and the magnitude distribution of currents in different frequencies, respectively.

Antenna; TEM horn; Ultra-wideband; Low-frequency separation structure; Band-pass structure

TN820

A

1009-5896(2016)11-2954-06

10.11999/JEIT160049

2016-01-13；改回日期：2016-06-08；

2016-09-01

廖成 c.liao@swjtu.edu.cn

國(guó)家自然科學(xué)基金委和中物院聯(lián)合基金(U1330109)，高功率微波技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室自主研究項(xiàng)目(2014H01022)，中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專(zhuān)項(xiàng)資金(2682015CX062)

The Joint Fund of the National Natural Science Foundation of China and the China Academy of Engineering Physics (NSAF U1330109), The Research Program of the Key Laboratory of High Power Microwave Technology (2014H01022), The Fundamental Research Funds for the Central Univevsities (2682015CX062)

徐曉敏： 男，1991年生，博士生，研究方向?yàn)橛?jì)算電磁學(xué)、天線原理與設(shè)計(jì)等.

廖 成： 男，1964年生，教授，博士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)橛?jì)算電磁學(xué)、電磁散射與逆散射和天線理論及應(yīng)用研究等.

陳凱亞： 男，1971年生，博士，碩士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)樘炀€原理與設(shè)計(jì)、功率放大器的線性化技術(shù)等.