tem喇叭超宽带接收特性分析

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1、第17卷第8期强激光与粒子束Vol.17,No.82005年8月HIGHPOWERLASERANDPARTICLEBEAMSAug.,2005文章编号:100124322(2005)08212282033TEM喇叭超宽带接收特性分析1,212朱四桃,朱柏承,樊亚军(1.北京大学信息科学技术学院100871;2.西北核技术研究所,陕西西安710024)摘要:采用时域有限差分(FDTD)和离散傅里叶变换(DFFT)相结合的方法计算了不同长度及不同张角TEM喇叭接收天线的传递函数及灵敏度,采用最大相对误差和相对平均偏差分析了TEM喇叭超宽带接收的波形保真性与其几何尺寸之间的关系。分析结果表明:

2、在设计高灵敏度及高波形保真性的超宽带TEM喇叭脉冲测量天线时,对TEM喇叭的张角和长度应进行折衷考虑。关键词:超宽带;TEM喇叭;时域有限差分法;离散傅立叶变换中图分类号:TN813文献标识码:A[1]TEM喇叭是由两金属板扩展成的喇叭构成,由于这种天线具有良好的宽频带特性,TEM喇叭及由[2～4]TEM喇叭作为阵元的阵列天线已经成为超宽带辐射天线的主要形式。同时TEM喇叭用作超宽带脉冲[5～7]测量天线近年在国内外也得到一定的研究,主要的研究方法是通过时域测量对接收天线的灵敏度进行标定。本文采用时域有限差分和离散傅里叶变换相结合的方法计算了不同长度及不同张角TEM喇叭的接收传递函数及灵

3、敏度,采用最大相对误差和相对平均偏差分析了TEM喇叭超宽带接收的波形保真性与其几何尺寸之间的关系,为超宽带TEM喇叭接收天线的设计提供了依据。1超宽带接收天线的传递函数和灵敏度在频域,超宽带接收天线可等效为含有内阻ZA(ω)的电压源U0(ω),其中U0(ω)是接收天线的开路感应电动势,ZA(ω)是接收天线的输出阻抗。若天线的有效长度为le(ω),天线的归一化方向图为F(ω,θ,<),平面波Ei(ω)从(θ,<)方向入射且与接收天线的极化因子为k,则接收天线的开路感应电动势U0(ω)=Ei(ω)le(ω)F(ω,θ,<)k,在这里,假定入射波在接收天线的最大接收方向入射且极化方向与接收天线

4、极化方向相同,则U0(ω)=Ei(ω)le(ω)。若接收天线的端接负载为ZL(ω),由等效电路可得负载上的电压为Uo(ω)ZL(ω)le(ω)ZL(ω)UL(ω)==Ei(ω)(1)ZA(ω)+ZL(ω)ZA(ω)+ZL(ω)[6]接收天线的传递函数为UL(ω)le(ω)ZL(ω)jφ(ω)T(ω)===

5、T(ω)

6、e(2)Ei(ω)ZA(ω)+ZL(ω)若φ(ω)在被测信号的带宽范围(ωmin,ωmax)内随频率线性变化,

7、T(ω)

8、在该频段上的平均值ωmax

9、T(ω)

10、dω∫ωminS=(3)ωmax-ωmin文献[8]将接收天线的灵敏度定义为频率响应曲线

11、T(ω)

12、的平坦区域所对应

13、的值,本文为了讨论问题的方便,将S定义为接收天线在频率范围(ωmin,ωmax)内的灵敏度。2误差分析由线性系统的不失真条件可知,若接收天线在端接负载上的输出信号能够如实反映被测信号,则在被测信号的带宽范围内,接收天线的传递函数T(ω)应满足:

14、T(ω)

15、是与频率无关的常数;φ(ω)随频率线性变化。在这里假定φ(ω)满足随频率线性变化的条件,我们用最大相对误差Er和相对平均偏差Šdr来衡量幅频特性曲线

16、T(ω)

17、的平坦程度,Er及Šdr越小,

18、T(ω)

19、趋于常数S,接收天线输出信号对被测信号的畸变量越小。最大相对误差为3收稿日期:2004211210;修订日期:2005207226基金项

20、目:国家863计划项目资助课题作者简介:朱四桃(1974—),男,硕士,主要从事超宽谱电磁脉冲产生及测量技术研究;E2mail:zhu_sitao@sina.com。©1995-2005TsinghuaTongfangOpticalDiscCo.,Ltd.Allrightsreserved.第8期朱四桃等:TEM喇叭超宽带接收特性分析1229

21、T(ω)

22、-SEr=Max×100%,ω∈(ωmin,ωmax)(4)T(ω)相对平均偏差为ωmax

23、

24、T(ω)

25、-S

26、dω∫ωminŠdr=×100%,ω∈(ωmin,ωmax)(5)

27、(ωmax-ωmin)×S

28、3接收天线模型及数值分析TEM喇

29、叭天线的基本结构如图1所示,由相互间有一张角的两个三角形金属板组成,这种三角板顶角为β,长度为L。图2表示同轴线直插式馈电TEM喇叭天线,同轴线内导体与一金属板顶点连接,外导体与另一金属板顶点连接,两金属板之间的夹角为α。针对图2接收天线模型,其中同轴线内外导体半径分别为1.5mm与5.0mm,内外导体之间介质相对介电常数εr为2.25,两金属板厚度均为1.0cm,采用FDTD及DFFT相结合的方法进行分析。Fig.1Triangu