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1、第16卷 第5期强激光与粒子束Vol.16,No.52004年5月HIGHPOWERLASERANDPARTICLEBEAMSMay,2004文章编号:100124322(2004)0520641204基于TEM喇叭的辐射波模拟器X天线的近场特性1221田春明, 王建国, 陈雨生, 葛德彪(1.西安电子科技大学物理系,陕西西安710071;2.西北核技术研究所,陕西西安710024) 摘 要:给出一种新型核电磁脉冲辐射波模拟器天线,并用时域有限差分方法分析和优化天线的结构。天线的激励源是由同轴线馈入的强电
2、压脉冲。优化了平行板传输线和TEM喇叭的尺寸,并对天线的近场进行分析,给出了天线尺寸对近场特性的影响。数值模拟结果表明,在距离天线口径100m处的电场强度可达20kV/m。 关键词:电磁脉冲; 辐射波模拟器; 天线; 时域有限差分 中图分类号:TN822.8;TN813文献标识码:A 核爆炸产生核电磁脉冲(NEMP),其场强可达到几十kV/m,它可通过电缆、天线、以及金属屏蔽体上的缝[1]隙和孔洞耦合进入电子系统,在电子器件的输入和输出端口上产生瞬态高电压和大电流。这种现象称为电过应力,可造成两类效应
3、:一是翻转,产生干扰信号,使电路或器件功能暂时失效;二是烧毁,通过热或电击穿,使得器件产生不可恢复的损坏。[2,3] 在电磁脉冲耦合效应研究方面,已开展了大量的理论和数值模拟研究工作。但为了系统地研究电子系统的NEMP效应及加固技术,必须建立核电磁脉冲模拟设备。对于小型且无火工品的电子学系统,可以建立有界波模拟器,在其中进行效应及加固技术研究。对于大型系统(例如飞机、导弹等),必须建立辐射波模拟器,用天线将电磁波辐射出来。与有界波模拟器相比,辐射波模拟器的技术难点之一在于辐射天线的研制。[4] 在辐射波
4、模拟器天线研究方面,目前国内外主要采用笼形结构天线,主要由双锥和圆柱天线组成,具有常阻抗、宽频带和平行于双锥天线轴线的场的均匀度好等特点,但其缺点也很突出:(1)天线的辐射性能在沿圆柱角向的2π范围内是均匀的,即无方向性,使得能量利用率低;(2)体积庞大,通常为300m长,造价昂贵;(3)有效试验区面积较小。为了克服这些缺点,本文用横电磁波(TEM)喇叭天线来代替通用的笼形天线,横电磁[5]波喇叭天线具有常阻抗、宽频带、方向性好、体积相对较小和有效试验区面积较大等优点。本文通过时域有限差分(FDTD)方法分
5、析和优化天线的结构,研究辐射波模拟器天线的近场特性。1 天线结构TEM喇叭天线的基本结构是由相互间有一张角的两块三角形金属板组成。图1(a)表示喇叭天线的俯视图,板的长度为s,顶角为α。图1(b)表示喇叭天线的侧视图,画出了同轴传输线馈电到喇叭天线的方式,两个(a)topview(b)frontviewFig.1Diagramoftheantennastructure.图1 天线的结构图X收稿日期:2003202203;修订日期:2003212204基金项目:国防科技基础研究基金资助课题作者简介:田春明(1
6、974—),男,博士生,主要从事电磁理论,瞬态电磁场数值模拟方法的研究;西安市69信箱5室。©1995-2005TsinghuaTongfangOpticalDiscCo.,Ltd.Allrightsreserved.642 强激光与粒子束 第16卷金属板之间的夹角为2β,同轴线的阻抗Za=50Ω。同轴线通过平行板传输线给TEM天线馈电。假设平行板的宽度为w,间距为d。为了减少反射,平行板的特性阻抗须和馈电的同轴线的特性阻抗相匹配,即平行板的[6]特性阻抗也要
7、是50Ω。Hammerstad等人提出了计算有限长传输线阻抗的公式,我们用FDTD方法优化设计[7]了同轴线给平行板传输线馈电问题。由理论公式和数值模拟可知:当w/d=5时,平行板的特性阻抗大约是50Ω。2 数值分析方法Maxwell方程组是求解各类电磁问题的基本方程。FDTD方法是直接将Maxwell旋度方程组作差分离[8]散,并随着时间的推进交替计算电场和磁场。这是基于Yee网格的一种时域数值方法,在各种电磁问题中[9]得到了广泛的应用。由于喇叭天线是由同轴线给平行板馈电,本文采用简单的一维传输线模型。
8、假设同轴线中传输的是TEM模,则其中的电压和电流关系可由传输线方程给出。文献[5]给出采用的传输线方程及其时域有限差分形式。 为了将传输线中的电压和电流信号耦合进Maxwell方程组,考虑图2所示的一个网格回路。在同轴线和Yee网格连接处,应用Faraday电磁感应定律和细线算法,得到n+0.5n-0.5Hx(ia,ja+0.5,ka+0.5)=Hx(ia,ja+0.5,ka+0.5)+nΔtn2V(ka){E
