圖1 電-磁振子組合型UWB天線結構示意圖
                  1.2 天線物理結構及其特性分析
                  天線的物理結構與天線性能有比較密切的關系,。輻射天線的輸入阻抗與超寬譜脈沖源的特性阻抗的失配,，造成天線饋源處不同程度地反射。從圖1所示的天線結構形式來看,，激勵脈沖(如圖2)進入同軸饋電區(qū)后,，具有寬頻帶特征(如圖3)的脈沖電流饋入天線,。一部分電流通過①、③,、②構成的電流環(huán)(或磁振子)向自由空間輻射,同時產生反射波和熱耗(由于激勵脈沖的上限頻率較低，天線的熱損耗一般可不予考慮);另一部分電流通過①,、④,、⑤構成的阻抗?jié)u變型TEM喇叭(主要表現(xiàn)為電振子輻射器)向自由空間輻射，同時也產生反射波,。

                  圖2 激勵脈沖波形　　　　　　　　　　　　 圖3 激勵脈沖頻譜
                  根據以上分析,，可以得到該天線等效電路，如圖4所示,。其中Rring,、Rtrumpet分別為天線的磁振子(電流環(huán))與電振子(TEM喇叭)的輻射電阻，二者與激勵信號的頻率f成非線性關系,。

                  圖4 電-磁振子天線等效電路圖
                  天線中的電流環(huán)為并聯(lián)諧振回路,，隨著頻率的提高，電流環(huán)由低頻短路負載逐漸轉變成為以磁振子為主的輻射器,，磁振子的輻射電阻Rring也相應增加,。對低頻而言，電流環(huán)為小環(huán)輻射器,，相當于磁基本振子,，其輻射特性等同于磁基本振子;而對高頻而言，它又相當于大電流環(huán)輻射器,，可以應用大電流環(huán)輻射理論來分析其輸入特性和輻射特性,。
                  在電-磁振子組合型超寬帶天線中，TEM喇叭相當于串聯(lián)諧振回路,。隨著頻率的提高,，TEM喇叭由低頻開路負載逐漸轉變成以電振子為主的輻射器，電振子的輻射電阻Rtrumpet也隨之變化,。對低頻而言,，TEM喇叭最基本的物理模型為偶極子天線，它的輻射場是若干偶極子場的矢量疊加,。其時域輻射場表達式[4]為：

                  其中：f(g)為TEM喇叭特性阻抗與自由空間阻抗的比值,，δ(a)(t)為沖擊函數(shù)，h為喇叭口面高度,，l為喇叭長度,，V0  為饋入天線的階躍電壓的幅值。
                  隨著頻率的進一步提高,，TEM喇叭再轉變成為高頻短路負載,。當頻率f很高時，TEM喇叭電振子和電流環(huán)磁振子均嚴重失諧，分別處于短路和開路狀態(tài),。造成饋源處較大反射,。
                  電-磁振子組合型超寬帶天線中電振子與磁振子的遠區(qū)輻射場同為垂直極化波。通過調整磁振子與電振子的參數(shù)Lring,、Ctrumpet以及相位中心距,，使兩個天線振子形成電-磁振子互補輻射[3]，從而降低天線的輻射電阻對信號頻率的依賴,，擴展了天線的工作頻帶,，降低了天線負載的不匹配所造成的反射，而且還能使兩個輻射器的空間瞬態(tài)輻射場相互疊加,，最大限度地提高天線的輻射效率,。
                  2 模擬計算
                  在以上分析的基礎上，利用數(shù)值模擬軟件對50x50x50cm3的電-磁振子組合型超寬帶天線進行了模擬,，圖5,、圖6為數(shù)值模擬結果。

                (a) 天線駐波曲線                                                           (b) 天線輸入阻抗圓圖
                  圖5 50cm電-磁振子組合型天線模擬結果

                  圖 6 不同頻率下50cm電-磁振子組合型UWB天線在θ=900和φ=900平面的方向圖
                  3 實驗結果
                  通過模擬與分析,，優(yōu)化設計了一付長,、寬、高尺寸均為50cm的電-磁振子組合型UWB天線(如圖7所示),，并用頻域和時域測量方法對天線進行了測試,。

                  圖8為采用安立的失量網絡分析儀MS4623B所測得的天線駐波曲線、阻抗圓圖和時域反射測量曲線,。
                  頻域測量的結果表明,，該天線在100MHz~1GHz的10倍頻程內，天線的駐波系數(shù)小于3,，與數(shù)值模擬的結果基本吻合,。從時域測量曲線圖8(c)看出：天線最 圖7 電-磁振子組合型UWB天線大反射點在饋源輸出端。

                  圖8 MS4623B失網測量結果

                  圖9為天線饋入超寬帶脈沖信號時,，用Tek TDS684測量到的入射脈沖,、反射脈沖和輻射場脈沖波形。其中,，激勵脈沖信號底寬約為2ns,，前沿為350ps，峰值電壓為150V,。入射信號與反射信號采用無感電容分壓器(分壓比為100:1),，輻射場測量采用帶寬為80MHz~2GHz、有效高度為6.1cm的TEM喇叭測量天線,，測量點位于天線最大輻射方向距離口面10m處,。測得反射波最大正峰29.8V,、最大負峰為-35.6V，測點的電場強度為24.6V/m,。求得該天線輻射效率Kw=Wr/Wg=60%(Wr=Wg-Wref為天線的輻射能,，Wg為激勵脈沖能量，Wref為天線反射脈沖的能量),。

                  圖9 時域測量波形
                  4 結論及存在的問題
                  通過以上分析和研究得出：電-磁振子組合型天線利用電流環(huán)與TEM喇叭的互補狀態(tài)來實現(xiàn)帶寬擴展,，天線結構參數(shù)調整合適，小型化UWB天線能夠做到帶寬寬,、輻射效率高;盡管天線尺寸小，由于采用同軸過渡饋電結構,，可以解決高功率UWB脈沖饋電難的問題;天線結構和瞬態(tài)脈沖輻射問題比較復雜,，不宜直接和完全采用時域方法，而用頻域方法研究天線的結構和特性相對容易,，它為天線的時域特性研究創(chuàng)造了條件,。
                  存在的問題是：由于天線結構的復雜性，天線各部分電流分布的求解相當困難,，另外,，在進行電-磁振子組合型天線模擬計算時，由于計算資源的限制以及建立的模型與實際天線間有較大的差異,，從而造成了計算與測量結果之間的誤差,。