由于工程實際的需要，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)報道不多見。俄羅斯在小型化"多通道天線"[1]方面有一些實驗研究結(jié)果,。但這種天線及其陣列[2]的理論研究有一定難度,，目前主要以實驗研究為主,，應(yīng)用也十分有限,。由于瞬態(tài)激勵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)合實驗和數(shù)值模擬，采用頻域和時域測量相結(jié)合的方法,，對電-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,同時產(chǎn)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(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,，同時也產(chǎn)生反射波。
圖2 激勵脈沖波形 圖3 激勵脈沖頻譜
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,，二者與激勵信號的頻率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(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,，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信號頻率的依賴,，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(chǔ)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(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 實驗結(jié)果
通過模擬與分析,，優(yōu)化設(shè)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(jìn)行了測試,。
圖8為采用安立的 失量網(wǎng)絡(luò)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(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(diǎn)在饋源輸出端。
圖8 MS4623B失網(wǎng)測量結(jié)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(diǎn)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(fù)峰為-35.6V,，測點(diǎn)的電場強(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(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域方法,，而用頻域方法研究天線的結(jié)構(gòu)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(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(jié)果之間的誤差,。