超宽带tem天线的数值模拟①

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1、第13卷　第4期强激光与粒子束Vol.13,No.42001年7月HIGHPOWERLASERANDPARTICLEBEAMSJul.,2001文章编号:100124322(2001)0420493205①超宽带TEM天线的数值模拟1212王建国,　田春明,　刘小龙,　葛德彪(1.西北核技术研究所,陕西西安710024;2.西安电子科技大学物理系,陕西西安710071)　　摘　要:用数值方法研究了超宽带电磁脉冲源经同轴型传输线输出到TEM天线上的发射问题。TEM喇叭天线的前端是平行板传输线。用时域有限差分方法模拟了超宽带电磁脉冲在平行板传输线和T

2、EM波喇叭中的传输,给出了天线的输入阻抗和电压驻波比随频率的变化关系、天线的辐射场分布以及天线辐射的能量方向图等。　　关键词:超宽带;TEM天线;输入阻抗;时域有限差分;方向图　　中图分类号:TN822.8;TN813文献标识码:A[1]　　超宽带(UWB,ultrawideband)电磁脉冲技术发展很快,它在目标的探测和识别方面得到了广泛[2]的应用。随着单次UWB功率和重复频率的不断提高,其潜在的军事用途愈来愈明显。UWB的关键技[3]术是源(开关)技术和发射天线技术。许多高功率射频源都采用同轴结构输出,这是因为同轴传输线具有以下优点:1.圆

3、柱结构耐高压;2.易于控制结构的阻抗;3.设计参数易于放大或缩小;4.机械加工便宜等等。因此,本文研究同轴传输线馈电的UWB发射天线。　　对于UWB的发射天线,由于其宽带特性,目前还没有成熟的设计理论。对某些天线,例如双锥天[4][5]线或TEM喇叭天线,尽管可以用无限长近似等效后得到一些近似公式,但这些公式不能用来精确描述天线特性。所以,通常用数值方法研究超宽带天线设计问题。本文用时域有限差分(FDTD,finite2[6]differencetime2domain)方法结合传输线算法模拟UWBTEM天线的发射问题。1TEM天线TEM喇叭天线的

4、基本结构是由相互间有一张角的两个三角形金属板组成。图1表示这种三角板之一,其中一个边长为s,顶角为A。图2表示同轴传输线馈电的TEM天线,两个金属板之间的夹角为2B,同轴线的特性阻抗为Za=508。同轴线通过平行板传输线给TEM天线馈电。平行板的宽度为w,间距为d。本文用FDTD方法研究这种天线的辐射过程。Fig.1TriangularplateusedintheTEMantenna.Fig.2CrosssectionoftheTEMantennafedbyacoaxialline.图1TEM天线的三角形金属板图2　同轴线馈电TEM天线的截面图①

5、收稿日期:2001203215;修订日期:2001205221基金项目:国家863高功率微波技术领域资助项目(863241027)作者简介:王建国(19652),男,江苏人,博士后,副研,主要从事电磁理论、瞬态电磁场数值模拟方法和等离子体物理方面的研究工作;西安市69信箱15分箱。©1995-2005TsinghuaTongfangOpticalDiscCo.,Ltd.Allrightsreserved.494强激光与粒子束第13卷2　数值方法　　如图3所示,同轴线沿正方向给平行板馈电。假设同轴线中传输的是TEM模,则其中的电压V和电流I的关系由

6、[2]传输线方程给出5V(z,t)Za5I(z,t)=-(1)5zc5t5I(z,t)15V(z,t)=-(2)5zcZa5t式中:c表示光速,负号表示电流和电压沿正z方向传输。[6]　　用标准的Yee网格离散传输线方程,为满足波动方程的稳定性条件,本文取c$t=0.5$z($t表示时间步长,$z表示z方向空间步长),得到差分方程n+1n-1Zan+0.5n+0.5Fig.3DiagramtodemonstratethefieldcouplingV(k)=I(k)-[I(k+0.5)-I(k-0.5)]2betweenthecoaxialline

7、andplate(3)图3　同轴线与平行板间场分量耦合的示意图n+0.5n-0.51nnI(k+0.5)=I(k+0.5)-[V(k+1)-V(k)](4)2Za[8]　　在同轴线的下端点处采用吸收边界条件。为了将传输线中的信号耦合进Maxwell方程,考虑图3所示的一个网格回路。应用Faraday电磁感应定律和细线算法,得到n+0.5n-0.5Hy(ia+0.5,ja,ka+0.5)=Hy(ia+0.5,ja,ka+0.5)-n$tn2V(ka)Ex(ia+0.5,ja,ka+1)-()+L0$zln($xöa)$x$t2nEz(ia+1,ja

8、,ka+0.5)(5)L0$xln($xöa)式中:a和b分别表示传输线内、外导体的半径;ia,ja,ka为同轴线与平行板连接处的坐标。