由于工程實(shí)際的需要,，高效率的小型化超寬帶高功率微波天線成為研究的熱點(diǎn)。對(duì)于高功率的小型化天線而言,，其技術(shù)難點(diǎn)主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：一是天線輻射效率低,。二是天線饋電反射大、絕緣難,。
有關(guān)超寬帶輻射天線小型化研究的文獻(xiàn)報(bào)道不多見,。俄羅斯在小型化"多通道天線"[1]方面有一些實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果。但這種天線及其陣列[2]的理論研究有一定難度,，目前主要以實(shí)驗(yàn)研究為主,，應(yīng)用也十分有限。由于瞬態(tài)激勵(lì)脈沖具有寬頻帶特征,，鑒于此,，本文從電-磁組合型天線的物理結(jié)構(gòu)分析入手，結(jié)合實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬,，采用頻域和時(shí)域測(cè)量相結(jié)合的方法,，對(duì)電-磁組合型天線的特性進(jìn)行了研究。
1 理論分析
1.1 天線結(jié)構(gòu)
圖1為電-磁振子組合型超寬帶天線結(jié)構(gòu)示意圖[2],。圖中所示：①為天線同軸饋電區(qū),；②為外導(dǎo)體板；③為電流環(huán)調(diào)節(jié)器,；④為TEM喇叭上極板,；⑤為TEM喇叭下極板。
圖1 電-磁振子組合型UWB天線結(jié)構(gòu)示意圖
1.2 天線物理結(jié)構(gòu)及其特性分析
天線的物理結(jié)構(gòu)與天線性能有比較密切的關(guān)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(jié)構(gòu)形式來看，激勵(lì)脈沖（如圖2）進(jìn)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(gòu)成的電流環(huán)（或磁振子）向自由空間輻射,同時(shí)產(chǎn)生反射波和熱耗（由于激勵(lì)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(gòu)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(shí)也產(chǎn)生反射波,。
圖2 激勵(lì)脈沖波形 圖3 激勵(lì)脈沖頻譜
根據(jù)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(lì)信號(hào)的頻率f成非線性關(guān)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(fù)載逐漸轉(zhuǎn)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(yīng)增加,。對(duì)低頻而言，電流環(huán)為小環(huán)輻射器,，相當(dāng)于磁基本振子，其輻射特性等同于磁基本振子,；而對(duì)高頻而言,，它又相當(dāng)于大電流環(huán)輻射器，可以應(yīng)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(dāng)于串聯(lián)諧振回路。隨著頻率的提高,，TEM喇叭由低頻開路負(fù)載逐漸轉(zhuǎn)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(duì)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(chǎng)是若干偶極子場(chǎng)的矢量疊加。其時(shí)域輻射場(chǎng)表達(dá)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(zhǎng)度，V0 為饋入天線的階躍電壓的幅值,。
隨著頻率的進(jìn)一步提高,，TEM喇叭再轉(zhuǎn)變成為高頻短路負(fù)載。當(dāng)頻率f很高時(shí),，TEM喇叭電振子和電流環(huán)磁振子均嚴(yán)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(yuǎn)區(qū)輻射場(chǎng)同為垂直極化波,。通過調(diào)整磁振子與電振子的參數(shù)Lring、Ctrumpet以及相位中心距,，使兩個(gè)天線振子形成電-磁振子互補(bǔ)輻射[3],，從而降低天線的輻射電阻對(duì)信號(hào)頻率的依賴，擴(kuò)展了天線的工作頻帶,，降低了天線負(fù)載的不匹配所造成的反射,，而且還能使兩個(gè)輻射器的空間瞬態(tài)輻射場(chǎng)相互疊加，最大限度地提高天線的輻射效率,。
2 模擬計(jì)算
在以上分析的基礎(chǔ)上,，利用數(shù)值模擬軟件對(duì)50x50x50cm3的電-磁振子組合型超寬帶天線進(jìn)行了模擬，圖5,、圖6為數(shù)值模擬結(jié)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(jié)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(shí)驗(yàn)結(jié)果
通過模擬與分析，優(yōu)化設(shè)計(jì)了一付長(zhǎng),、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(shí)域測(cè)量方法對(duì)天線進(jìn)行了測(cè)試,。
圖8為采用安立的 失量網(wǎng)絡(luò)分析儀MS4623B所測(cè)得的天線駐波曲線,、阻抗圓圖和時(shí)域反射測(cè)量曲線。頻域測(cè)量的結(jié)果表明,，該天線在100MHz~1GHz的10倍頻程內(nèi),，天線的駐波系數(shù)小于3，與數(shù)值模擬的結(jié)果基本吻合,。從時(shí)域測(cè)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(diǎn)在饋源輸出端,。
圖8 MS4623B失網(wǎng)測(cè)量結(jié)果
圖9為天線饋入超寬帶脈沖信號(hào)時(shí)，用Tek TDS684測(cè)量到的入射脈沖,、反射脈沖和輻射場(chǎng)脈沖波形,。其中，激勵(lì)脈沖信號(hào)底寬約為2ns,，前沿為350ps,，峰值電壓為150V,。入射信號(hào)與反射信號(hào)采用無感電容分壓器（分壓比為100:1），輻射場(chǎng)測(cè)量采用帶寬為80MHz~2GHz,、有效高度為6.1cm的TEM喇叭測(cè)量天線,，測(cè)量點(diǎn)位于天線最大輻射方向距離口面10m處。測(cè)得反射波最大正峰29.8V,、最大負(fù)峰為-35.6V,，測(cè)點(diǎn)的電場(chǎng)強(qiáng)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(lì)脈沖能量,，Wref為天線反射脈沖的能量)。
圖9 時(shí)域測(cè)量波形
4 結(jié)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(bǔ)狀態(tài)來實(shí)現(xiàn)帶寬擴(kuò)展,，天線結(jié)構(gòu)參數(shù)調(diào)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(jié)構(gòu)，可以解決高功率UWB脈沖饋電難的問題,；天線結(jié)構(gòu)和瞬態(tài)脈沖輻射問題比較復(fù)雜,，不宜直接和完全采用時(shí)域方法，而用頻域方法研究天線的結(jié)構(gòu)和特性相對(duì)容易,，它為天線的時(shí)域特性研究創(chuàng)造了條件,。
存在的問題是：由于天線結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，天線各部分電流分布的求解相當(dāng)困難,，另外,，在進(jìn)行電-磁振子組合型天線模擬計(jì)算時(shí)，由于計(jì)算資源的限制以及建立的模型與實(shí)際天線間有較大的差異,，從而造成了計(jì)算與測(cè)量結(jié)果之間的誤差,。