张扬，杨丹，刘雪明
（西南交通大学电磁场与微波技术研究所，四川成都610031）
摘要：恒阻抗TEM喇叭天线的上、下板之间的间距、板的宽度沿天线轴向呈线性渐变，且喇叭天线的驱动端口、末端端口的宽高比相同。与恒阻抗TEM喇叭天线不同，指数渐变型TEM喇叭天线上下极板之间的间距沿轴向呈指数渐变。研究发现，当指数渐变型TEM喇叭的极板宽度采用不同的渐变形式时，极板宽度线性变化型TEM喇叭天线的驻波比最佳，主射方向远场脉冲峰峰值最大。当天线轴向长度、末端端口高度一定时，天线主射方向远场脉冲峰峰值随着天线末端端口宽度的增大而增大；当末端端口宽度达到一定值时，脉冲峰峰值达到最大值，继续增大末端端口宽度，脉冲峰峰值减小；当天线主射方向远场脉冲峰峰值达到最大值时，天线末端端口阻抗值为215 Ω。
教育期刊网 http://www.jyqkw.com
关键词 ：TEM喇叭；阻抗；脉冲峰峰值；超宽带
中图分类号：TN92?34 文献标识码：A 文章编号：1004?373X（2015）18?0039?03
收稿日期：2015?03?04
基金项目：高功率微波技术重点实验室自主基础研究项目(2014H01022)
0 引言
超宽带天线技术[1?4]最早可追述到20世纪50年代，美国伊利诺伊大学的V.H. Rumsey 与J.D. Dyson 提出了非频变天线（Frequency Independent Antennas）的概念，随后出现了等角螺旋天线、阿基米德螺旋天线和对数周期天线等形式。超宽带天线还包括偶极子天线、环天线、V锥天线、双锥天线、波纹喇叭天线、抛物面天线、Vivaldi天线、TEM 喇叭天线、微带天线等天线形式。由于超宽带天线具有工作频带宽的特性，在宽带通信、军事电子对抗、电磁兼容、遥测、反隐身、微波武器等领域得到了广泛的应用。
TEM 喇叭由于其结构特性，具有宽频带、方向性好、增益高、高功率容量等特性，因此得到了广泛的应用。1982年，Kanda通过对喇叭天线进行阻抗加载[5]，减小了电磁波在天线末端端口的反射从而提高了天线的工作频带。但是这种阻抗加载的方式会消耗一部分电磁波能量，降低了天线主轴方向的远场脉冲峰峰值。Chien?ping Kao等人基于最优匹配公式[6]，设计了不同末端端口阻抗的TEM喇叭天线（极板间距呈线性渐变，极板宽度按最优匹配公式变化），仿真和实验结果表明，比较反射系数，末端端口阻抗为200 Ω 的天线小于末端端口阻抗为377 Ω（自由空间波阻抗）的天线。但是，这些不同末端端口阻抗[7]的天线的轴向长度不同，不能确定天线辐射性能的改善是由于天线轴向尺寸的改变还是末端端口阻抗的改变。本文通过对指数渐变型TEM喇叭天线[8?9]的仿真分析，得出当天线的轴向尺寸固定时，天线主射方向的远场脉冲峰峰值与天线末端端口宽度的关系，给出了最佳末端端口阻抗。
1 TEM 喇叭天线工作原理
TEM 喇叭天线[10?11]一般由上、下2 块呈线性渐变或指数渐变的极板组成，2 块极板相互分离，由同轴线馈电。在馈电点处，由于同轴线特性阻抗与TEM 喇叭天线特性阻抗不匹配，流经同轴线的电流转化为电磁波向外辐射。电流流经TEM 喇叭天线的极板，在极板之间形成磁场，磁场方向平行于两极板之间的对称面；TEM喇叭天线的上、下极板之间存在电压差，在极板之间形成电场，电场方向垂直于两极板之间的对称面。于是，两极板之间的电场、磁场形成TEM波向外辐射。
2 TEM 喇叭天线设计与仿真
标准TEM 喇叭天线（如图1 所示）由上、下对称的2 个三角板组合而成，无限长标准TEM喇叭天线具有恒定特性阻抗，阻抗带宽宽；标准TEM喇叭天线馈电端口宽高比、末端口径宽高比相等，即w1 h1 = w2 h2 。标准TEM 喇叭天线上、下极板间间距与极板宽度沿轴向方向线性渐变。
2.1 天线设计
为了提高天线辐射性能，可采用上、下极板间距沿轴向呈指数渐变的TEM 喇叭天线（见图2），此时，TEM喇叭天线极板宽度可采用不同的渐变形式，如线性渐变型、指数渐变型、抛物渐变型等（见图3）。为分析TEM喇叭天线极板宽度渐变方式对天线性能的影响，对3种渐变形式的天线进行建模仿真，分析其辐射特性。
设计的TEM 喇叭天线见图2（a），该天线采用50 Ω同轴线馈电，同轴线渐变结构见图2（b），采用这样的渐变结构有利于减小馈电结构的反射，提高辐射效率。
2.2 结果分析
图4 表示3 种类型TEM 喇叭天线的驻波比曲线。由图4可以看出，指数渐变型TEM喇叭天线和抛物渐变性TEM喇叭天线的驻波比在0.8 GHz附近大于2，线性渐变型TEM喇叭天线的驻波比曲线最优，辐射性能最好。
图5表示3种类型TEM喇叭天线的主射方向远场脉冲信号曲线。由图5和表1可以看出，线性渐变型TEM喇叭天线的主射方向远场脉冲峰峰值为0.261 V/m，大于另外2种TEM喇叭天线。
3 末端端口阻抗
3.1 平行板特性阻抗
平行板的特性阻抗公式为：
3.2 末端端口阻抗
采用以上所示的线性渐变型TEM 喇叭天线，分析天线末端端口阻抗与天线主射方向远场脉冲峰峰值的关系。图6表示天线其他结构参数一定下，天线的主射方向远场脉冲峰峰值与天线末端端口的极板宽度W 的关系曲线。由图6 可以看出，天线的远场脉冲峰峰值随着极板宽度W 增大而增大，当W 取31 cm 时，天线的远场脉冲峰峰值达到最大值0.263 V/m，然后W 继续增大，脉冲峰峰值开始减小。远场脉冲峰峰值最大时的脉冲信号如图7所示。
将w d =0.71带入平行板特性阻抗公式可得天线末端端口阻抗为215 Ω。当末端端口阻抗为215 Ω时，天线的主射方向远场脉冲峰峰值最大。
4 结语
由数值仿真结果和分析可以看出，采用50 Ω 同轴线馈电，变阻抗TEM喇叭天线轴向方向长度一定时，不同形式的极板宽度渐变模式对天线的辐射性能影响不同，极板宽度线性渐变型TEM喇叭天线的驻波比最小，主射方向远场脉冲峰峰值最大；同时研究发现，当天线轴向长度一定且天线上下极板间距渐变形式相同时，末端端口阻抗为215 Ω的变阻抗TEM 喇叭天线的主射方向远场脉冲峰峰值最大。本文对于上述现象进行了分析，为超宽带TEM喇叭天线的设计提供了参考。
教育期刊网 http://www.jyqkw.com
参考文献
[1] 阮成礼.超宽带天线理论与技术[M].哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2006.
[2] 孟凡宝.高功率超宽带电磁脉冲技术[M].北京：国防工业出版社，2011.
[3] CHUNG K H，SUNG?HO P，CHUNG S Y，et al. Design of a wideband TEM horn antenna [C]// Proceedings of the 2003IEEE Antennas and Propagation Society International Sympo?sium. Columbus，USA： IEEE，2003：229?232.
[4] LAMENSDORF D，SUSSMAN L. An analysis of some directive antennas using time domain measurements [C]// Proceedings of the1971 Antennas and Propagation Society International Sympo?sium. Los Angeles，USA：IEEE，1971：307?311.
[5] KANDA M. The effects of resistive loading of“TEM”horns [J].IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility，1982，24（2）：245?255.
[6] KAO C P，LI J，LIU R，et al. Design and Analysis of UWB TEM Horn Antenna for Ground Penetrating Radar Applications [C]// Proceedings of the 2008 IEEE Geoscience and Remote Sensing Symposium. Houston，TX：IEEE，2008：569?572.
[7] 王磊，祝转民，蒋延生，等.恒阻抗TEM喇叭天线设计关键问题研究[J].微波学报，2011（4）：93?96.
[8] 刘秀祥.高功率超宽带喇叭天线研究[D].西安：西安电子科技大学，2011.
[9] 廖勇，张秦岭，陆巍，等.TEM喇叭天线低频补偿实验研究[J].强激光与粒子束，2005（8）：1247?1250.
[10] EVANS S，KONG F N. TEM horn antenna：input reflection characteristics in transmission [J]. Microwaves， Optics and Antennas，1983，130（6）：403?409.
[11] HUANG Y，NAKHKASH M. A Dielectric Material Loaded TEM Horn Antenna [C]// Proceedings of the 12th Interna?tional Conference on Antennas and Propagation. Exeter，UK：IEEE，2003：489?492.
作者简介：张扬（1990—），男，四川广安人，硕士。主要研究方向为超宽带天线设计。
杨丹（1977—），女，四川人，副教授，硕士生导师。主要研究方向为计算电磁学。
刘雪明（1987—），男，黑龙江人，硕士。主要研究方向为天线设计。