超寬帶電磁學(xué)09

超寬帶電磁學(xué)

及其應(yīng)用電子科技大學(xué)阮成禮2006年2月20日~5月10日，三教樓109教室，周一7、8節(jié)，周四9、10節(jié)。TEM喇叭陣列天線

近三十年高功率微波（HPM）、電磁脈沖（EMP）模擬器、沖擊（Impulse）雷達(dá)等領(lǐng)域成為研究熱點，從而使得HPPulse的輻射問題倍受關(guān)注。HPPulse具有頻譜寬，低頻分量豐富，脈沖功率高等特點。如何有效地把高功率電磁脈沖輻射出去，對天線提出了很高的要求。高功率電磁脈沖源分類

單脈沖源單天線輻射，TEM喇叭，反射面等。陣列天線輻射，其困難在于高功率，高壓極限、模式控制等技術(shù)上的難題，以及復(fù)雜的饋電系統(tǒng)，體積大、成本高等。陣列脈沖源脈沖源與天線集成化輻射有一系列優(yōu)點。陣列天線輻射的優(yōu)點用低壓脈沖源，其優(yōu)點是脈沖上升時間短（小于臨界上升時間），通過陣列輻射能夠形成大口徑面和慢衰減傳播；采用集成化光導(dǎo)脈沖源，容易實現(xiàn)陣列同步，與真空管，火花放電等比較，光導(dǎo)脈沖源可以嚴(yán)格定時而無時間抖動，同步達(dá)到ps量級；實現(xiàn)波束電掃；對于高功率微波（HPM）和雷達(dá)來說，重要的是可以實現(xiàn)很大的陣列孔徑和很高的脈沖功率。TEM喇叭天線陣列

TEM喇叭陣列天線在最高工作頻率上（）單元天線之間的互耦比較小；而頻率很低時（）有意設(shè)計天線使互耦比較大，以提高天線低頻特性。在中心頻率上，互耦對天線的影響如何是需要研究的問題。TEM喇叭陣列天線的頻帶寬度最高工作頻率受柵瓣條件制約；低頻端受整個天線陣列尺寸限制。前提條件假設(shè)：無限大天線陣列整個陣列單元數(shù)很多，尺寸很大，使得天線陣列的邊緣不影響每個單元的輻射特性。也就是說，不考慮天線陣的邊緣效應(yīng)。天線陣列的尺寸大于半個波長對于有限陣列來說，當(dāng)整個天線陣列的尺寸小于半個波長時（在極化方向），天線將不能有效地輻射或者接收電磁信號。分析方法周期混合有限元法（periodichybridfinite-elementapproach）中；見文獻(xiàn)（AP-42,p.1626-1630,1994;RadioSci.,vol.31,p.1173-1179,1996）天線單元被分成四面體的體積單元，在體積單元上定義電場的展開函數(shù)；網(wǎng)格中包括電阻元件，以便模擬點源和負(fù)載。單元天線典型的有限元表示法

分析方法展開函數(shù)是線性邊緣基矢量元。有限元區(qū)域是由周期性輻射邊界條件決定的（+z和-z兩邊）平面之間的區(qū)域?；诜e分方程的條件對任意方向的出射波提供無反射吸收邊界，在單元四周的邊壁上，強(qiáng)迫滿足周期性條件，有效地約束x和y方向兩個相反的面有（與陣列掃描角相應(yīng)的）相位移。最后，導(dǎo)出一組方程并且針對每一個掃描角和頻率來求解。數(shù)值分析方法網(wǎng)格的邊長，在源點附近，網(wǎng)格劃分應(yīng)當(dāng)更細(xì)。應(yīng)用雙共軛梯度法解矩陣方程，誤差門限為。計算與周期輻射邊界相關(guān)的矩陣項時，取Floquet模式的階數(shù)為。這樣的網(wǎng)格尺寸，模式數(shù)目以及誤差門限可以保證給出計算的收斂到0.1%范圍內(nèi)。平面雙錐陣列天線

雙極化結(jié)構(gòu)演變二者邊緣不同；單元天線和陣列天線；定向輻射和雙向輻射。垂直極化平面雙錐陣列天線(b)垂直極化，(c)有縫隙垂直極化自補結(jié)構(gòu)天線陣雙向天線對大多數(shù)應(yīng)用來說，平面雙錐陣列天線不一定是最優(yōu)天線，因為，在所有頻率上陣面兩邊有相同的輻射波束。當(dāng)陣元的尺寸天線陣具有自補結(jié)構(gòu)，也就是說，以任何一個饋電點旋轉(zhuǎn)90o得到互補結(jié)構(gòu)。從而，任意一個饋電點的輸入阻抗必然等于，而且與頻率無關(guān)。研究平面雙錐陣列天線的重要性在于可以用它來評估非理想饋電結(jié)構(gòu)對天線性能的影響。饋電區(qū)域的精細(xì)結(jié)構(gòu)

輸入阻抗的頻率特性

柵瓣當(dāng)時，出現(xiàn)八個可見的柵瓣，在每個半空間有四個可見的柵瓣，同時使輸入阻抗發(fā)生不連續(xù)變化。當(dāng)時，出現(xiàn)第二組可見的柵瓣同時使輸入阻抗發(fā)生不連續(xù)變化。盡管有柵瓣出現(xiàn)，輸入阻抗還是保持在預(yù)期值附近，進(jìn)一步確認(rèn)了自補天線的與頻率無關(guān)特性。不同臂長對稱振子方向圖電流分布的改變產(chǎn)生了柵瓣平面雙錐陣列天線作為發(fā)射天線同相饋電時，當(dāng)，在兩個垂直陣面方向各輻射一半的功率，當(dāng)饋電點接的負(fù)載是時，接收天線接收功率等于兩邊正入射平面波功率之和。出現(xiàn)柵瓣時吸收功率迅速降低低頻特性相鄰天線單元之間的空氣縫隙是，饋電點的結(jié)構(gòu)如圖5.35b。從計算結(jié)果看到，陣元之間互相連接對低頻分量的輻射和接收都非常重要。作為陣列天線的單元天線的性能

對于方形單元，當(dāng)，輸入阻抗為。因此,在計算天線陣列接收頻率響應(yīng)時，在圖5.35b所示的饋電點處接入的負(fù)載阻抗。如所預(yù)料，做接收天線時喇叭張角越小，耦合到負(fù)載上的入射功率越多。TEM喇叭陣列天線的頻率響應(yīng)TEM喇叭陣列天線的正入射接收功率斜入射入射情況下的接收功率

斜入射入射情況下的接收信號相位頻率上限受到柵瓣頻率和入射角的限制

以中心負(fù)載為參考點，頻率直到相位差不多是線性變化，意味著可以無失真地輻射或接收瞬態(tài)波形。正入射TEM喇叭陣列天線的輸入阻抗

TEM喇叭天線的輸入阻抗一個孤立的TEM喇叭天線的輸入阻抗可以用共形變換方法得到。在高頻端它也是陣列單元的輸入阻抗。對于方形單元的陣列，時輸入阻抗為，時輸入阻抗為。在低頻端，在寬邊方向，陣列單元的輸入阻抗與平面雙錐陣列天線（有同樣單元尺寸）一樣，為。然而，在中間頻率，則必須用計算方法或者實驗方法來確定陣列單元的輸入阻抗。輸入阻抗E面

低頻端輸入阻抗為H面E面

H面