一种指数型超宽带TEM喇叭的设计与实验∗

周巧玲 张学志 邵春雨

（中国人民解放军陆军工程大学军械士官学校 武汉 430075）

1 引言

TEM喇叭是一种常用的大功率超宽带天线，其性能优良，结构紧凑，易于排布。TEM喇叭既可以单只作为发射喇叭使用，又能够作为抛物面天线的发射馈源。在实际应用中TEM喇叭还可以组成接收阵列，进行测向使用［1～2］。TEM喇叭的组成结构一般是两块三角形的有限大的金属板，沿着轴线张开某个角度，构成喇叭的辐射端口。按照传输线理论，其传播模式为TEM主模传播，因此我们又把这种天线称作TEM喇叭天线［3～4］。喇叭端口的开路结构使得这种天线对低频反射较大，因此有各种加载（如加载电阻等），可以吸收部分低频能量，减小低频反射。TEM喇叭工作于低频时，张角较小的喇叭可等效为电偶极子天线，在喇叭天线的末端加载低频回路可等效为磁偶极子，由电偶极子和磁偶极子组成的回路可以近似地等效为振子天线，可以有效地改善TEM喇叭低频段的天线辐射性能，但是低频能量被加载阻抗吸收后导致低频增益降低，且由于加载电阻耐功率要求不高，一般加载TEM喇叭为小功率接收设备［5～6］。本文设计了一种耐功率TEM喇叭天线，其用指数线形金属板代替有限长平行板，在保持后端阻抗不变的前提下，增大了天线前端的张角结构使喇叭辐射段母线变长，相同尺寸下与常规的TEM喇叭相比减小了天线低端的反射，拓展了天线的带宽，兼顾了天线的小型化与超宽带［7］。

2 设计原理

TEM喇叭天线的结构示意图，如图1所示。喇叭的基本参数为喇叭馈电喉部的中点到其中的一个金属板的斜角距离为l，任意截面高为ℎ，喇叭口径的宽度为w。TEM喇叭天线可以调整两块金属板之间的张口角度大小和馈电到辐射口面的距离，使整个喇叭的阻抗从同轴线的50Ω渐变到天线辐射口面的自由空间阻抗（120πΩ），从而减小天线的反射系数，减小反射损耗［8～9］。

图1 TEM喇叭结构示意图

TEM喇叭天线实质上是一段由平行双导线制成的阻抗变换器，可以将TEM喇叭的上下三角形金属板分成等间距的小段，上下金属板的小段组成若干的组，每一组可以近似地等效为平行的导线，其传播TEM模波，当喇叭任意截面高为ℎ，宽为w时，其特性阻抗Z0可以由微带传输线的特性阻抗推到任意点的特性阻抗Z0［10］。

TEM天线喇叭面的形状对天线性能影响较大：如果天线从喇叭的“喉部”一直到喇叭的开口处，他的特性阻抗为一固定大小的数值，具有这种特性的TEM喇叭天线称为恒阻抗TEM喇叭天线；如果喇叭的两个金属板间的张角与金属板的宽度相比是变化的，即天线的特性阻抗从喇叭的“喉部”一直到喇叭的开口处是按某种规律渐变的，这种喇叭天线称为阻抗渐变天线。

TEM喇叭天线上下金属面的电磁波可以由下式描述［11～12］：

其辐射电场为

其中，l是天线的长度，z是馈电距离，θ是H面方位角。

3 仿真设计

由理论推导可知，TEM喇叭天线的设计核心在于阻抗的匹配，阻抗的大小由天线的长度l和天线辐射口的高度w决定的。若要求TEM喇叭的频带较宽且方向图不出现失真现象，则金属板的长度选用较长，喇叭的张口角度较小，这样可以降低低频段的截止频率。在设计天线的过程中还需要考虑馈电形式，本文使用同轴线馈电，同轴线阻抗为50Ω，TEM喇叭设计中要求天线的输入阻抗与其匹配，减小电磁波在输入时的反射。TEM喇叭的馈电处的宽度能够有效地改善天线的输入阻抗。在设计时还要考虑天线的安装与可维修性，则天线的尺寸不宜过大。

综上所述，建立天线模型如图2所示，通过电磁仿真软件进行仿真计算，优化天线结构参数。仿真结果表明改进指数型TEM喇叭天线在整个频段内驻波小于2.5，高频段增益能够达到11dB。

图2 天线仿真模型

图3 天线驻波

图4 天线H面方向图

图5 天线E面方向图

图6 天线增益

图7 TEM喇叭实物加工图

为了验证理论分析的结果，对整个天线进行了加工和装配，如图7为TEM喇叭实物加工图，天线的整个结构使用铝整铣加工而成，整个结构件氧化导电，侧面使用环氧侧板支撑住上下金属板。在微波暗室进行测量表明，指数型超宽带TEM喇叭性能优良。经实测处理后的数据与理论仿真结果很好地符合，能够在工程中进行应用。

4 结语

基于传统TEM喇叭天线的结构，在传统模型上进一步改进，使上下的金属板由平面变为指数型的渐变形式。改动后的天线不仅可以满足超宽带的需求，同时还可以实现天线的小型化，高增益。阻抗的匹配，有效地改善了天线的辐射效率，使反射损耗进一步降低。采用电磁仿真软件对整个结构模型进行优化分析，结果显示改进后指数型喇叭天线可以实现在0.8GHz～6GHz频率范围内的VSWR<2.5。与传统模型相比，天线的整体性能指标有了很大的改善，更具有工程的运用性。