复合振子天线辐射特性的数值模拟

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1、!第!"卷!第#期强激光与粒子束$%&’!"!(%’#!!)**+年#月,-.,/0123456235(7/538-942:25;65<=’!)**+!文章编号!!!**!>#?))")**+#*#>*+@!>*+复合振子天线辐射特性的数值模拟"王建国!!)!!田春明?!!夏洪富!!!葛德彪?"!!西北核技术研究所!陕西西安"!**)#$!)!西安交通大学电子与信息工程学院!陕西西安"!**#A$?!西安电子科技大学物理系!陕西西安"!**"!#!!摘!要!!讨论了由电单极子和磁振子组合而成的复合振子天线结构和工作原

2、理!用时域有限差分方法模拟了天线的辐射特性!计算了天线从同轴线的馈电效率!对于单极脉冲和双极脉冲馈源!馈电效率分别为B+C和@!C%给出了天线的电压驻波比&辐射近场和远场&能量方向图等%模拟结果表明’在!面内辐射方向图是轴线对称的!其形状是心型$在"面内!方向图关于轴线不对称!辐射最大值方向向上偏离大约!+D%这种天线具有宽带特性和较高的馈电效率!适合于超宽带电磁脉冲辐射的天线阵列的应用%!!关键词!!超宽带电磁脉冲$!复合振子$!天线$!能量方向图$!时域有限差分!!中图分类号!!8(@))’@$!8(@!?!!!

3、!文献标识码!!5(!!))!!超宽带"E1:#电磁脉冲技术是正在蓬勃发展的前沿性研究领域!被认为是)!世纪电子与雷达系统的主要发展趋势之一%E1:技术在地下目标探测等得到了大量的应用!并且在移动目标的发现&识别和重建方面以及医学成像等领域有着良好的应用前景%E1:技术得以广泛应用的前提条件是必须具备高效的电磁脉冲辐射系统!因此!研制高效E1:电磁脉冲辐射系统成为急需研究的课题%(?!B)!!在E1:电磁脉冲发射技术方面!横电磁波"82;#喇叭天线得到了广泛的研究和应用!是一种较理想(")的天线%根据这种天线的原理!

4、田春明等人设计了核电磁脉冲的辐射波模拟器天线%但是!82;喇叭的低频截止特性为#*)%!%为喇叭三角板的长度!即低于#频率的成份不能被这种天线有效发射!而E1:&%FG$&%F的低频成份很丰富!因此!为了兼顾其低频成份的辐射!通常需要大尺寸的82;喇叭天线%另外!82;喇叭天线的馈电效率较低!因此需要研制新型高效的E1:电磁脉冲辐射器%(@!A)!!安德力夫等人提出了一种新型E1:电磁脉冲辐射器!并开展了相关实验%这种天线是由电单极子和磁振子组合而成的!本文将它称为复合振子"90#天线%安德力夫等人的实验结果表明!这

5、种天线的辐射效率较高!并且其辐射方向图在"面和!面内都是对称分布的%根据对90天线的结构分析!我们认为!由于90天线的结构不对称!所以!面内的辐射方向图是对称的!而"面内的辐射方向图是不对称的%本文用数值模拟方法研究90天线的辐射特性!并验证我们对辐射方向图的有关认识%"!复合振子天线模型(A)!!通过分析偶极子天线电能和磁能的时空分布及变化特征!安德力夫等人提出的复合振子天线结构如图!所示!其中!一个平面电单极子!放置在一个特殊形式的金属结构内!并位于通过中间金属线的平面内!通过缝隙馈线与同轴馈线相连%为了组成磁振

6、子!金属板被弯曲!从而在电单极子的侧边和金属板之间形成类似于磁偶极子的槽)%调节长度&!使得磁流和电流之间的相移最佳%电流和磁流矩之间所需的关系可通过选择槽)和单电极子!的几何尺寸来满足%为了产生最佳的通频带和强电磁辐射!单极子和金属板间的缝隙宽度’5!’:和’9可调%另外!一个金属圆盘?被固定在单极子的上面!以增加电单极子和金属板之间的电容%!!这种天线可认为是电辐射器和磁辐射器的组合%一方面!它是电单极子$另一方面!它又是具有串联电容的导电环%环由单极子板!和金属板的一部分组成!电容器由固定在单极子!上边的金属圆

7、盘和金属板构成%环类似于一个磁极矩!它的方向沿环的轴向!其特性是’当频率低于第一谐振频率"环的周长等于波长的一半#时!它的阻抗具有感抗特性!且磁储能大于电储能%电单极子的特性是’当频率低于第一谐振频率时!它的阻抗具有容抗特性!且电储能占优%!!通过同轴线给复合振子天线馈电%当同轴线馈入的脉冲信号作用于天线的输入端时!一部分信号通过馈"收稿日期!)**#>*?>!!$!!修订日期!)**#>!)>!?基金项目!国家@B?计划项目资助课题作者简介!王建国"!AB++#!男!江苏人!博士!研究员!博导!主要从事瞬态电磁场理

8、论和高功率微波技术的研究工作$西安市BA>!+信箱%JID强激光与粒子束第1O卷!!!!!""#$%&#%’!!!!!!!!!!!!!!!!(")*+,-&#%’.#/01!234%5!-#3$#!/*!5+)3+5(#,%$6+"3#77!-+*!,-%,,!图1!复合振子型天线的示意图线激励电单极子#另一部分激励磁振子$在高于通带频率下限的