一种线栅型TEM电磁脉冲辐射喇叭天线

芦艺兵，周 星，张希军，杨清熙，刘克顺

(陆军工程大学石家庄校区电磁环境效应重点实验室，石家庄050000)

TEM喇叭天线是一种方向性较好的时域天线，具有阻抗高、频带宽、体积相对较小、移动方便等优点。但TEM喇叭天线末端突然截断会导致能量传播到天线末端时产生反射，辐射波形有较长的拖尾，影响辐射性能[1-2]。这种现象在低频时更为明显[3]，且会对馈源产生影响。

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。陆军工程大学王赟、王庆国等对末端加载螺旋线型天线及天线尺寸与特性阻抗的关系进行了研究，通过改变天线结构提高低频辐射性能[4-7]。西安电子科技大学田春明等给出了一种新型核电磁脉冲辐射波模拟器天线,并用时域有限差分方法分析和优化了天线的结构[8]。中国工程物理研究院谢平等对折线型TEM喇叭天线进行了研究，可以提高电场强度峰值，压缩主瓣宽度[9]。西安理工大学冯强等从天线端口特性和时域辐射特性方面对末端反射问题进行了研究，同时对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,提高了天线阵列的远场辐射电压[10-11]。西安理工大学与西北核技术研究所原艳宁等通过优化设计馈电端的巴伦结构，及对指数型TEM喇叭天线末端进行分布式阻抗匹配，提升了端口特性和辐射特性[12]。中国直升机设计研究所李强兵等通过在天线同轴馈电端口内外导体间填充尼龙，增加了天线的功率容量，同时通过加载补偿回路拓展了天线的低频频宽[13]。

TEM喇叭天线已被广泛深入地研究，多用于超宽带通信、雷达、高功率微波、电磁场测试等领域。在核电磁脉冲模拟系统的应用中，如何改进TEM喇叭天线，使其在小型化的基础上更轻量化，并具有较好的低频辐射性能，还需要深入研究。

1线栅型天线分析

TEM板型喇叭天线由两块张开的三角形金属板组成，是一种较为理想的瞬态脉冲辐射天线，可作为电磁脉冲试验系统中的辐射场形成装置进行效应研究。为使天线更加轻量化，可用均匀分布的金属导线代替天线极板，形成线栅型天线。当线栅型天线根数较少时，线栅之间的间距较大，存在高频电磁泄漏；当线栅根数较多时，线栅间距较小，可近似为板型天线。

为了研究将板型天线改成线栅型后天线辐射场的变化，采用CST MicroWave Studio 2019(CST)电磁仿真软件对板型和线栅型天线进行了时域仿真。天线长、宽、高分别为2 550，2 200，2 136 mm；天线材料为理想导体；板型天线的厚度为2 mm：线栅型天线线栅的直径为2 mm；线栅根数为5根。在CST电磁仿真软件中建立板型与线栅型TEM喇叭天线模型，如图 1所示。

(a)Plate antenna

(b)Wire grid antenna

在天线两个极板顶点处采用离散端口馈电。激励信号采用双指数脉冲，电压峰值为150 kV，上升时间为2.3 ns，半峰值脉宽为23 ns，频率范围为0～300 MHz，波形如图 2所示。

图2激励脉冲波形Fig.2Excitation pulse waveform

图3为线栅型天线与板型天线的反射波形对比。由图3可见，板型天线与线栅型天线的反射波形差别不大。图4为板型和线栅型TEM喇叭天线中心轴上，距口径面0.5 m处的辐射场波形。由图 4可见，第2个波峰是天线末端开路造成的反射。仿真结果表明，当金属线栅根数为5根时，线栅型TEM喇叭天线存在高频电磁泄漏，电场强度峰值略有降低，上升时间略增大，脉宽变化不大，但这些变化很小，这表示将板型天线改成线栅型后，对辐射性能影响较小。因此，在工程上可以使用线栅型天线代替板型天线，减小重量和风阻。

图3线栅型天线与板型天线的反射波形对比Fig.3Comparison of reflected waveforms betweenwire grid antenna and plate antenna

图4线栅型天线与板型天线辐射场波形对比Fig.4Comparison of radiation field waveforms between wire grid antenna and plate antenna

为了研究线栅根数对辐射场的影响，仿真分析了不同线栅根数的辐射场，相关参数如表 1所列。

表1不同线栅根数下的辐射场波形参数Tab.1Radiation field waveform data ofdifferent number of wire grids

表1中Ep为天线中心轴上距口径面0.5 m辐射场电场强度峰值；tpw为半峰值脉宽；tr为上升时间。由表1可见，随着线栅根数的增加，辐射场的电场强度峰值升高，上升时间变小，即高频泄漏减少，半峰值脉宽改变不大。当线栅根数增加到11根，即线栅间距为220 mm时，再增加线栅根数对电场强度峰值及上升时间影响不大。

2线栅型天线结构尺寸优化

TEM喇叭天线结构的主要参数包括天线长度l，天线极板间张角θ，天线极板的顶角φ等。保持天线极板间张角θ和天线极板顶角φ取值不变，天线长度l分别为1，2，2.5，3，4，5 m时，计算得到Ep，tpw，tr，如表 2所列。由表2可知，随着天线长度的增加，辐射场的半峰值脉宽和上升时间增加，电场强度峰值降低，这是因为天线变长时能量会更多地分布于天线极板间，流入近场区的能量变少。天线长度需合理取值，太小难以保证合适的辐射场脉宽，太大会导致电场强度峰值较低和上升时间较长。

表2天线长度对辐射场的影响Tab.2Influence of antenna length on radiation field

为了使电场强度波形满足上升时间小于2.8 ns，半峰值脉宽大于18 ns，取天线长度为2.5 m。保持天线长度l和天线极板顶角φ不变，观察天线极板间张角θ对辐射场波形的影响。由于天线张角过大时辐射场方向性会变差，取θ为15°,30°,45°,60°,75°。

图5为不同天线极板间张角条件下辐射场的电场强度波形。由图5可见，随着θ的增大，电场强度峰值逐渐变低，脉宽逐渐增加。这是由于TEM喇叭天线的波前是球面，增大张角时，从馈源到天线口径面边沿和中心轴处的波程差也会增大，导致辐射场的电场强度峰值降低。天线极板间张角需合理取值，太小难以保证合适的辐射场脉宽，太大会导致电场强度峰值较低。因此，本文取θ=45°。

图5不同天线极板间张角条件下辐射场波形Fig.5Radiation field waveforms under different tension angles between antenna plates

保持天线长度l=2.5 m和天线极板间张角θ=45°取值不变，令天线极板顶角φ分别为15°，30°，45°，60°，75°，观察辐射场的变化。表3为天线极板顶角对辐射场的影响，图6为不同极板顶角条件下辐射场的电场强度波形。

表3天线极板顶角对辐射场的影响Tab.3Influence of antenna plate apex angle on radiation field

图6不同极板顶角条件下辐射场波形Fig.6Radiationfield waveforms under different apex angles of plates

由表3可见，随着天线极板顶角的增大，辐射场的脉宽与上升时间均增加，在天线极板顶角较小时，电场强度峰值随天线极板顶角的增加而增加，当天线极板顶角超过60°后，电场强度峰值已不再增加。由图 6可见，当天线极板顶角增加至60°时，辐射场波形发生了改变，继续增大φ值，对波形有较大影响。在不改变天线长度和天线极板间张角的情况下，增大顶角意味着口径面宽度增加。说明口径面宽度有一个最大值，并不能无限增大。因此，天线极板顶角需取合适的值，顶角较小时辐射场电场强度峰值及脉宽均较小，顶角较大时会影响辐射场波形。本文取φ=45°。

3一种新型线栅型天线

本文所设计的线栅型天线的长、宽、高分别为2 550，2 200，2 955 mm。其特性阻抗为

≈175.27 Ω (1)

其中，w和h分别为天线口径面的宽度和高度。辐射场的波阻抗为377 Ω，因此，可将TEM喇叭天线末端结构设计成渐变型，将天线末端向外卷起，形成卷边型TEM喇叭天线。由于张角逐渐变大，特性阻抗也逐渐变大，减小了波阻抗与自由空间波阻抗的差别，增加了电流回流路径。

另外，对于低频辐射，标准TEM喇叭天线端口相当于开路，能量传播到端口时会产生反射。为了减小端口反射，将天线末端进行背部电阻加载。电磁波能量在传播过程中，电场与磁场能量相互转化，电场与磁场能量相等时才能传播的更远。TEM喇叭天线的上下极板集聚电荷形成电偶极子p，背部加载回流回路相当于一个磁振子mb，在TEM喇叭天线上下极板间形成电-磁振子互补结构，增大了天线的辐射能流密度，扩展了天线的工作频带。电-磁振子互补结构如图 7所示，图8为CST电磁仿真软件中建立的新型线栅型TEM喇叭天线模型。

图7电-磁振子互补结构原理图Fig.7Schematic diagram of complementarystructure of electro-magnetic vibrator

图8新型线栅型TEM喇叭天线模型Fig.8Model of new wire grid TEM horn antenna

传统线栅型天线与新型线栅型天线的反射波形对比，如图9所示。反射信号的第1个波峰是由于天线特性阻抗和馈电端口不匹配生成的。第2个波峰是由于天线口径面与自由空间波阻抗不匹配造成。由图9可见，新型天线的第2个反射峰较小，表明该结构能有效改善天线的反射特性。

图9传统线栅型结构天线与新型线栅型天线的反射波形对比Fig.9Comparison of reflected waveforms betweentraditional wire grid antenna and new wire grid antenna

传统线栅型和新型线栅型TEM喇叭天线中心轴上距口径面0.5 m处辐射场波形的参数如表4所列，电场强度波形如图10所示。新型线栅型天线的电场强度峰值与脉宽均比传统线栅型天线大，辐射场的电场强度峰值提升了26%，为13.08 kV·m-1，半峰值脉宽提升了5.13 ns，上升时间相差不大，端口面反射特性得到了较大的改良。

表4传统线栅型天线与新型线栅型天线辐射场波形参数对比Tab.4Comparison of the field parameters of a new wire grid type antenna with a traditional one

图10传统线栅型结构天线与新型 线栅型天线辐射场波形对比Fig.10Comparison of radiation field waveforms oftraditional wire grid antenna with new wire grid antenna

4实验验证

为了验证所设计天线的有效性，加工制造天线实物，搭建辐射式电磁脉冲试验系统。天线采用11根钢丝线制成，用特制天线架进行支撑，采用50 Ω同轴线馈电，100 kV电压激励。实测天线长度为2.5 m，天线极板顶角和极板间张角均为45°，天线特性阻抗约为180 Ω。辐射式电磁脉冲试验系统由电磁脉冲源、线栅型TEM喇叭天线及辐射场测量装置组成。电磁脉冲源采用双电容并联充电，开关触发方式为机械触发，用SF6气体进行绝缘。同时用远程控制系统对脉冲源进行控制，提高了工作可靠性和稳定性。通过天线极性设计调节馈电结构，可进行天线垂直极化与水平极化实验。脉冲电场测量装置将测得的信号通过光纤传输到示波器中，进行辐射场电场强度波形的观察与记录。

分别在垂直极化与水平极化方式下，对传统线栅型TEM喇叭天线与新型线栅型TEM喇叭天线进行对比实验，实验现场及结果如图11与图12所示。由图11和图12的实测波形可见，新型线栅型天线可有效减小天线末端反射，改善辐射场波形，增加辐射场的峰值与脉宽，验证了仿真结果。

(a)Test system of traditional wire grid TEM horn antenna

(b)Test system of new wire grid TEM horn antenna

(c)Measured waveform of traditional wire grid antenna

(d)Measured waveform of new wire grid antenna

(a)Test system of traditional wire grid TEM horn antenna

(b)Test system of new wire grid TEM horn antenna

(c)Measured waveform of traditional wire grid antenna

(d)Measured waveform of new wire grid antenna

5结论

在板型、线栅型TEM喇叭天线数值仿真的基础上，针对TEM喇叭天线的脉冲拖尾及低频辐射能力较低的问题，提出了一种末端卷边、背部加载电阻的新型线栅型TEM喇叭天线结构，构建了辐射式电磁脉冲试验系统。数值仿真与实验结果均表明：

1) 线栅型天线可以代替板型天线进行电磁脉冲试验，它对电场强度峰值、半峰值脉宽及上升时间的影响较小，且在工程上线栅型天线比板型天线质量更小，便于拆装和移动。

2) 线栅根数增加可减小高频泄漏，增加电场强度峰值，缩短上升时间，半峰值脉宽改变不大；当线栅根数增加到11根时，电场强度峰值及上升时间变化变小；随着天线长度的增加，辐射场的半峰值脉宽和上升时间均增加，电场强度峰值降低；随着天线极板间张角增大，电场强度峰值降低，半峰值脉宽增加；在天线极板顶角较小时，增大顶角会增加辐射场的半峰值脉宽与上升时间，但顶角较大时会影响辐射场电场强度波形。因此，本文通过优化设计，最终选取线栅根数为11根，天线长度2.5 m，天线极板顶角与极板间张角均为45°。

3) 与传统线栅型TEM喇叭天线相比，新型线栅型天线近场电场强度峰值提升了26%，半峰值脉宽提升了5.13 ns，天线低频辐射能力有效提升。

实验结果表明，本文所设计新型线栅型天线的辐射场波形反射更小，更接近标准波形。