TEM喇叭阵列天线.docx

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1、TEM喇叭阵列天线高功率电磁脉冲的辐射日益成为研究的热点EMP模拟器Impulse雷达HPM武器对天线的要求很低的频率分量特别的波形对感兴趣的目标产生谐振(Impulseradar)HPM・如何实现单脉冲源：单天线，TEM喇叭，反射面，阵列辐射，高功率，高压极限模式控制等技术上困难复杂的馈电系统，体积大成本高阵列脉冲源：低压脉冲源阵列的优点是fastrisetime无抖动(与真空管，火化放电等比较)实现波束电扫描可以实现很大的阵列孔径和很高的功率入射波方向SOURCEORLOAD图1TEM喇叭阵列的几何结构我们研究的阵列天线如图1所示，由TEM喇叭天线构成。其

2、最高工作频率（hdx,dy）单元天线之间的互耦比较小；而频率很低时（ldx，dy）有意设计天线使互耦比较大，以提高天线低频特性。当中心频率时，互耦对天线的影响如何使本届研究的问题。分析表明：TEM喇叭阵列的近似频带限制为，最高工作频率受栅瓣条件制约，低频受整个天线阵列的瓣波长尺寸限制。分析方法假设：整个阵列单元数很多，尺寸很大，使得天线阵列的边缘步影响每个单元的辐射特性。也就是说，不考虑天线阵的边缘效应，对每个单元天线来说，天线阵列都是无限大的。值得注意的是，对于有限阵列来说，当整个天线阵列的尺寸小于半个波长时(在极化方向)，天线将不能有效地辐射或者接收电磁信

3、号。在文献(AP-42,p.1626-1630,1994;RadioSci.,vol.31,p.1173-1179,1996)给出的周期混合有限元法(periodichybridfinite-elementapproach)中，天线单元被分成四面体的体积单元，在体积单元上定义电场的展开函数。如图2所示，一个TEM喇叭单元的网格，喇叭内的网格被移去，以便显示喇叭的形状。效法网格中可以包括电阻元件，以便模拟点源和负载。图2.天线阵的单元天线典型的有限元表示法(喇叭内的网格被移去)这里展开函数是线性边缘基矢量兀。有限兀区域是由周期性辐射边界条件决定的（+Z和-z两边

4、）平面之间的区域。基于积分方程的条件对任意方向的出射波提供无反射吸收边界，另外，在单元四周的边壁上，强迫满足周期性条件，有效地约束x和y方向两个相反的面有（与阵列扫描角相应的）相位移。最后，导出一组方程并且针对每一个扫描角和频率来求解。在下面的讨论中，网格的边长小于等于最高频率的十分之一波长，在源点附近，网格划分应当更细。应用双共轭梯度法解矩阵方程，误差门限为1105。计算与周期辐射边界相关的矩阵项时取Floquet模式的阶数为10n,m10。这样的网格尺寸，模式数目以及误差门限可以保证给出计算的收敛到0.1%范围内。平面双锥阵列天线TEM喇叭的极限情况是18

5、0的平面双锥天线。图给出了平面双锥阵列天线几种形式。因为信号源是串联形式，所以平面双锥阵列天线的工作频率可以非常低。实际上，天线阵的低端频率限制是整个天线阵的尺寸是否大于半个波长。对大多数应用来说，平面双锥阵列天线并不是最优天线，因为它是双向天线，在所有频率上在阵面两边有相同的辐射波束。有趣的是，当阵元的尺寸dxdy天线阵具有自补结构，也就是说，以任何一个馈电点旋转90o得到互补结构，导体代之于自由空间，自由空间代之于导体。从而，任意一个馈电点的输入阻抗必然等于。/260，而且与频率无关。这一点已经得到实验研究的确认。研究平面双锥阵列天线的重要性在于可以用它来

6、评估非理想馈电结构对天线性能的影响。图4给出了两种馈电结构，图4b的结构更接近于理想馈电点源。O图4•馈电区域的精细结构两种馈电结构的输入阻抗Z.在图5中给出。其中频率f。的定义是图1所示格子尺寸严格等于其波长，即dxdy0。当频率增加超过f0时,出现八个可见的栅瓣，在每个半空间有四个可见的栅瓣，同时使输入阻抗Z.发生不连续变化。当频率增加超过、2f。时，出现第二组可见的栅瓣同时使输入阻抗Z.发生不连续变化。尽管有栅瓣出现，输入阻抗还是保持在预期的60附近，进一步确认了自补天线的与频率无关特性。如预料的那样，图4b的结构更接近于理想馈电点源，给出近似的自补结构

7、。当平面双锥阵列天线作为发射天线同相馈电时，直到频率为fo，在两个垂直阵面方向各辐射一半的功率，类似地，当馈电点接的负载是60时，作为接收天线每一边将接收正入射平面波一半的功率。图6给出了宽边正入射、负载为60条件下，接收功率、前向散射功率、后前向散射功率，在没有栅瓣的区域，接收功率非常接近常数300250200150100500(tflEUO)山oN

8、频率增加超过fo时，入射波在锥平板上感