一種新型喇叭天線的設計與應用

沈明旭 李奉民

（中南大學 航空航天學院，湖南 長沙410006）

1 概述

近年來，高功率脈沖在探雷、拒止武器等軍用領域和地質探測、高強度電磁測試等民用領域的應用，逐漸引起眾多研究機構和人員的極大興趣[1-2]。核電磁脈沖，具有覆蓋面積廣、作用時間短、峰值場強高、頻譜范圍寬等特點[3]，主要能量集中在低頻部分[4]，能夠通過天線、線纜、孔縫等多種途徑耦合進電子設備，對其造成干擾、性能降級或永久性損傷，其破壞力遠遠超過普通的電磁環境。TEM喇叭天線因其頻帶寬、反射低、增益高以及結構簡單等特點，成為很多高功率脈沖源的發射天線[5]。但傳統的TEM喇叭天線也有著低頻性能差的缺點，這對將能量集中于較低頻段的高功率脈沖是很不利的。

為改進TEM喇叭天線的低頻輻射性能，國內外學者開展了大量研究工作。陸軍工程大學石家莊校區的學者對天線尺寸與特性阻抗的關系、末端加載螺旋線型天線等進行了研究，通過改變天線結構提高低頻輻射性能。中國工程物理研究院的學者對折線型TEM喇叭天線進行了研究，可以提高峰值場強，壓縮主瓣寬度。西安理工大學的學者從天線端口特性和時坡輻射特性方面對末端反射問題進行了研究，對TEM喇叭天線陣列的低頻輻射特性進行了研究，設計了一種四元天線陣列和一種四等分的七節同軸功分器，在保證陣列低頻帶寬的前提下,提高了天線陣列遠場輻射電壓。[6-12]

為了增強天線的低頻特性，除了增大喇叭天線的體積，本項目就是利用仿真軟件對喇叭天線進行仿真和優化, 在理論計算的基礎上，運用CST 軟件進行建模、仿真，并根據仿真結果優化調整模型尺寸，設計一種新型超寬帶喇叭天線，之后對天線在高斯脈沖下進行仿真，計算天線的各種輻射特性。

2 天線結構設計

普通TEM板型喇叭天線由兩塊張開的金屬板組成，是一種較為理想的瞬態脈沖輻射天線，如圖1 所示。它可以作為電磁脈沖系統中的場形成裝置進行試驗。現對以上普通TEM喇叭天線作如下改進：采用如圖2 所示的改進方法，在天線末端開口形成背心狀并增加封閉式的巴倫結構，并不影響無人機的風阻和其飛行性能，還增大了電路中的電流長度，能改善天線低頻的性能，減少后方輻射波的損耗。

圖1 瞬態脈沖輻射天線圖

圖2 添加巴倫后天線圖

喇叭段主要實現從波導到自由空間處的一種阻抗過渡結構，其阻抗過渡的平滑性將直接影響著天線的回波損耗以及其他性能。其中喇叭口徑面的大小由天線的增益和口面相差的要求來決定[13]，設計的主體在于口徑面大小以及結構的設計。當喇叭段阻抗Z 滿足式(1)和(2)時，其阻抗過渡的平滑性較好[14]。

圖3 高斯脈沖激勵信號圖

圖4 改進前后天線的駐波比對比圖

圖5 改進前后天線在2GHz 下方向圖對比圖

其中，A 可由喇叭段頸部處雙脊間的距離來確定，其值為雙脊間距離的一半；k 和C 可根據喇叭段的中點坐標和終點坐標來確定，式（3）中加入線性項的目的是改善低頻端的性能。曲線方程經過優化后，板面彎曲方程以及喇叭側面曲線方程分別確定為：

對這兩種天線做CST 仿真，采用如圖3 所示的脈沖激勵信號，并對兩種天線的駐波比和方向性進行對比。對比圖如圖4、圖5 所示。可以看出所采取的天線改進措施不僅拓寬了天線低頻時的性能，不影響無人機的飛行性能，也減少了輻射波的損耗，方向性也有所提高。

3 結論

本文基于天線輻射原理設計了一種背心形超寬帶喇叭天線，直接加載于50Ω 的同軸波導上，通過優化天線結構提高了輻射特性以及能力。仿真結果表明,天線具有低反射、寬頻帶、高增益等優點, 本文設計的天線輻射特性完全滿足無人機平臺上搭載的干擾天線的要求，因此具有很強的應用價值。