一种新型喇叭天线的设计与应用

沈明旭 李奉民

（中南大学 航空航天学院，湖南 长沙410006）

1 概述

近年来，高功率脉冲在探雷、拒止武器等军用领域和地质探测、高强度电磁测试等民用领域的应用，逐渐引起众多研究机构和人员的极大兴趣[1-2]。核电磁脉冲，具有覆盖面积广、作用时间短、峰值场强高、频谱范围宽等特点[3]，主要能量集中在低频部分[4]，能够通过天线、线缆、孔缝等多种途径耦合进电子设备，对其造成干扰、性能降级或永久性损伤，其破坏力远远超过普通的电磁环境。TEM喇叭天线因其频带宽、反射低、增益高以及结构简单等特点，成为很多高功率脉冲源的发射天线[5]。但传统的TEM喇叭天线也有着低频性能差的缺点，这对将能量集中于较低频段的高功率脉冲是很不利的。

为改进TEM喇叭天线的低频辐射性能，国内外学者开展了大量研究工作。陆军工程大学石家庄校区的学者对天线尺寸与特性阻抗的关系、末端加载螺旋线型天线等进行了研究，通过改变天线结构提高低频辐射性能。中国工程物理研究院的学者对折线型TEM喇叭天线进行了研究，可以提高峰值场强，压缩主瓣宽度。西安理工大学的学者从天线端口特性和时坡辐射特性方面对末端反射问题进行了研究，对TEM喇叭天线阵列的低频辐射特性进行了研究，设计了一种四元天线阵列和一种四等分的七节同轴功分器，在保证阵列低频带宽的前提下,提高了天线阵列远场辐射电压。[6-12]

为了增强天线的低频特性，除了增大喇叭天线的体积，本项目就是利用仿真软件对喇叭天线进行仿真和优化, 在理论计算的基础上，运用CST 软件进行建模、仿真，并根据仿真结果优化调整模型尺寸，设计一种新型超宽带喇叭天线，之后对天线在高斯脉冲下进行仿真，计算天线的各种辐射特性。

2 天线结构设计

普通TEM板型喇叭天线由两块张开的金属板组成，是一种较为理想的瞬态脉冲辐射天线，如图1 所示。它可以作为电磁脉冲系统中的场形成装置进行试验。现对以上普通TEM喇叭天线作如下改进：采用如图2 所示的改进方法，在天线末端开口形成背心状并增加封闭式的巴伦结构，并不影响无人机的风阻和其飞行性能，还增大了电路中的电流长度，能改善天线低频的性能，减少后方辐射波的损耗。

图1 瞬态脉冲辐射天线图

图2 添加巴伦后天线图

喇叭段主要实现从波导到自由空间处的一种阻抗过渡结构，其阻抗过渡的平滑性将直接影响着天线的回波损耗以及其他性能。其中喇叭口径面的大小由天线的增益和口面相差的要求来决定[13]，设计的主体在于口径面大小以及结构的设计。当喇叭段阻抗Z 满足式(1)和(2)时，其阻抗过渡的平滑性较好[14]。

图3 高斯脉冲激励信号图

图4 改进前后天线的驻波比对比图

图5 改进前后天线在2GHz 下方向图对比图

其中，A 可由喇叭段颈部处双脊间的距离来确定，其值为双脊间距离的一半；k 和C 可根据喇叭段的中点坐标和终点坐标来确定，式（3）中加入线性项的目的是改善低频端的性能。曲线方程经过优化后，板面弯曲方程以及喇叭侧面曲线方程分别确定为：

对这两种天线做CST 仿真，采用如图3 所示的脉冲激励信号，并对两种天线的驻波比和方向性进行对比。对比图如图4、图5 所示。可以看出所采取的天线改进措施不仅拓宽了天线低频时的性能，不影响无人机的飞行性能，也减少了辐射波的损耗，方向性也有所提高。

3 结论

本文基于天线辐射原理设计了一种背心形超宽带喇叭天线，直接加载于50Ω 的同轴波导上，通过优化天线结构提高了辐射特性以及能力。仿真结果表明,天线具有低反射、宽频带、高增益等优点, 本文设计的天线辐射特性完全满足无人机平台上搭载的干扰天线的要求，因此具有很强的应用价值。