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双极化超宽带TEM喇叭天线设计

双极化超宽带TEM喇叭天线设计

作者：樊振鹏四川大学

学位级别：硕士

随着现代通讯行业的快速发展,为了减小通讯系统的复杂性以及提高通讯速率,对超宽带天线的研究越来越重视。TEM喇叭天线是一款经典的超宽带天线,拥有近乎10个倍频的天线带宽,而且还有高增益的定向辐射性能。因此有着诸多优点的tem喇叭天... 详细信息

随着现代通讯行业的快速发展,为了减小通讯系统的复杂性以及提高通讯速率,对超宽带天线的研究越来越重视。TEM喇叭天线是一款经典的超宽带天线,拥有近乎10个倍频的天线带宽,而且还有高增益的定向辐射性能。因此有着诸多优点的TEM喇叭天线被广泛的应用于探地雷达、通讯、电子对抗等多个领域。从广泛的对中外关于TEM喇叭天线研究文献的阅读中发现,目前研究人员对TEM喇叭天线的研究工作主要分为小型化和高增益两个方面,并没有科研人员做过关于双极化TEM喇叭天线的研究。而双极化天线有着可以减少通讯系统复杂性及重量等诸多优点。为了填补TEM喇叭天线实现双极化方面的研究空缺,丰富天线种类,本文设计了一款双极化超宽带TEM喇叭天线。本文所设计的双极化超宽带TEM喇叭天线不仅实现了TEM喇叭天线的双极化设计,而且保持了TEM喇叭天线的超宽带特性,通过对所设计天线的加工实测,验证了该天线具有超过8个倍频的天线带宽,且拥有良好的定向辐射方向图。本文对双极化超宽带TEM喇叭天线的主要设计和研究工作如下:首先,本文先对双极化超宽带TEM喇叭天线的设计难点进行了分析。从一个单极化TEM喇叭天线出发,由平行板双导线类比来分析TEM喇叭天线的阻抗特性,发现TEM喇叭天线的阻抗特性与其喇叭振子之间的距离及振子宽度直接相关。但是在天线馈电处的位置振子之间的距离非常小,而想要实现TEM喇叭天线的双极化设计需要正交放置两对TEM喇叭天线振子,这就需要加大天线馈电处的振子距离,而这样会使得天线的阻抗特性产生剧烈变化。通过参数分析发现加大TEM喇叭天线振子间距会导致天线的阻抗匹配及低频方向图产生恶化,使天线失去实际工程应用价值。所以并不能通过简单的直接加大振子间距或者减小振子宽度的方法来实现TEM喇叭天线的双极化设计。然后,本文提出通过末端加载结构来完善双极化超宽带TEM喇叭天线设计。通过加大两个辐射振子的间距实现双极化,然而该双极化天线的低频驻波特性和方向图特性会出现不同程度的恶化。然后采用末端加载弯折结构改善该双极化TEM喇叭天线的低频特性,并得到良好的性能指标,成功设计出了双线极化超宽带TEM喇叭天线。并对天线使用3D打印并在表面喷涂导电漆的方式进行了加工实测。所设计出的双极化超宽带TEM喇叭天线具有1.16 GHz-10GHz的超宽带,且有着良好的定向辐射方向图。且本文所设计的双极化超宽带TEM喇叭天线电尺寸仅为0.34λ×0.34λ×0.19λ(λ对应1.16 GHz波长),较普通的电尺寸为半波长单极化TEM喇叭天线相比,天线的电尺寸也更小。最后,对本文所设计的双极化超宽带TEM喇叭天线进行了1×3直线阵和3×3平面阵两种阵列设计。经过加工实测验证,本文所设计天线组成阵列后在1.16 GHz-10 GHz频段内有着良好的阻抗特性及辐射特性。而且天线阵列单元之间的隔离度在1.16 GHz-10 GHz频段内均大于15 d B。因此本文所设计的天线不仅实现了TEM喇叭天线的双极化设计,而且还有着很好的实际工程应用范围与价值。

关键词：双极化超宽带 TEM喇叭天线天线阵

超宽带TEM喇叭天线设计及口径辐射特性研究

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超宽带TEM喇叭天线设计及口径辐射特性研究

作者：冯强西安理工大学

学位级别：硕士

超宽带TEM喇叭天线是典型的高功率脉冲辐射天线,具有定向性好、峰值功率容量高、结构简单的显著优点。但是,由于TEM喇叭天线口径末端的突然截断,产生较大的末端反射电流,使天线低频辐射能力不足。本文主要从天线端口特性和时坡辐射特性... 详细信息

超宽带TEM喇叭天线是典型的高功率脉冲辐射天线,具有定向性好、峰值功率容量高、结构简单的显著优点。但是,由于TEM喇叭天线口径末端的突然截断,产生较大的末端反射电流,使天线低频辐射能力不足。本文主要从天线端口特性和时坡辐射特性两个方面对末端反射问题进行研究。论文的研究工作主要有以下几点:1.从时域角度分析了非周期性脉冲的辐射特性。利用最大坡印亭矢量和积分坡印亭矢量计算辐射到空间的峰值功率能量,进而分析了脉冲辐射天线的峰值功串增益和能量增益;2.为了提高非平衡到平衡的转换巴伦的峰值功率传输效率,设计了改进型渐变式巴伦结构,该巴伦结构在整个工作频段S11参数均小于-10dB,峰值功率传输效率等于93.47%;3.为了改善天线口径末端反射电流大的缺陷,设计了一种分布式末端加载的喇叭天线。仿真结果表明:与无末端加载的喇叭天线相比,分布式末端加载天线低频阻抗带宽拓展了331MHz、能量辐射效率提高了17.2%、峰值功率辐射效率提高了2.3%,同时实现了天线小型化。

关键词：超宽带 TEM喇叭天线时域最大坡印亭矢量积分坡印亭矢量

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超宽带TEM喇叭天线及阵列的设计

超宽带TEM喇叭天线及阵列的设计

作者：朱春发四川大学

学位级别：硕士

随着超宽带技术(Ultra-wideband,UWB)应用的发展,超宽带天线的设计与研究引起了越来越多的研究学者们的关注。在某些工程应用领域,超宽带天线还要求具有小型化、高功率、高增益以及良好的定向性能。tem(Transverse Electromagnetic Wave... 详细信息

随着超宽带技术(Ultra-wideband,UWB)应用的发展,超宽带天线的设计与研究引起了越来越多的研究学者们的关注。在某些工程应用领域,超宽带天线还要求具有小型化、高功率、高增益以及良好的定向性能。tem(Transverse Electromagnetic Wave,横电磁波)喇叭天线由于结构简单、增益高、定向性好、功率容量大等优点被广泛应用于高功率脉冲辐射系统、超宽带无线通讯以及电磁兼容测量等领域。但是,标准的TEM喇叭天线存在着自身的缺陷:一、低频辐射时,由于TEM喇叭天线口径处突然截断,造成较大的电流反射,辐射效率降低;二、高频辐射时,由于TEM喇叭天线辐射的是球面波,在口径处中心场与边缘场存在相位差,导致辐射方向图主瓣发生分裂的现象,方向性变差,增益降低。为了解决以上问题,本文针对TEM喇叭天线的小型化以及高增益设计展开研究,主要研究内容和成果如下:首先,针对TEM喇叭天线低频反射电流较大的问题,以第二章设计的指数渐变型TEM喇叭天线作为研究基础,基于增加电流流动路径拓展带宽的思路以及电磁平衡原理,将TEM喇叭天线的下极板设计为等宽的结构以及采用磁偶极子低频补偿技术,设计了一款加载匹配带条的组合振子型TEM喇叭天线,电尺寸为0.18λ,λ为最低工作频率对应的波长,天线的电尺寸减小到指数渐变型TEM喇叭天线的39%,拓展了低频带宽,有效地实现了TEM喇叭天线的小型化。对该天线进行仿真优化并利用3D打印机打印制作了天线实物,仿真和测试结果表明,该天线在0.65GHz～20GHz的频带内驻波比小于2.5,达到了31:1的倍频程;其尺寸为85.21mm×35.26mm×66.79mm(0.18λ×0.08λ×0.14λ);带内最大增益为13.1d Bi,且方向图定向特性良好。然后,针对TEM喇叭天线高频辐射方向图主瓣分裂的问题,在加载匹配带条的组合振子型TEM喇叭天线基础上,基于介质透镜天线的辐射原理,通过在天线口径处加载圆形截面的介质透镜,解决了高频辐射时方向图主瓣分裂的现象。对加载介质透镜的TEM喇叭天线进行仿真优化并利用3D打印机打印制作介质透镜,仿真和测试结果表明,该天线在0.65GHz～20GHz的频带内驻波比小于2.5,带内最大增益为18.8d Bi,相对加载匹配带条的组合振子型TEM喇叭天线来说,增益最大提高了5.7d Bi,高频辐射时的E面副瓣电平降至-15d B以下,改善了TEM喇叭天线的高频辐射特性。最后,结合实际工程应用设计了一款2×4的短波超宽带TEM喇叭天线阵。通过在天线阵的背部加载反射板降低后瓣辐射,提高主瓣的增益。仿真结果表明,在f～5f的频段内驻波比小于2,最低增益为20.6d Bi,最高增益为31.3d Bi,最大增益仰角在5°～25°之间,副瓣电平均小于-10d B,后瓣电平均小于-14d B,阵列天线的最大尺寸为3.2λ,符合各项设计指标。然后采用3D打印机打印制作工作频段为0.65GHz～3.25GHz的短波阵列缩比模型,仿真和测试结果表明,该天线在0.65GHz～3.25GHz的频带内驻波比小于2,测试频点的辐射方向图与仿真结果基本吻合,验证了方案的可行性。

关键词：超宽带 TEM喇叭天线小型化高增益短波阵列

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超宽带TEM喇叭天线的研究与设计

哈尔滨工程大学学报 2009年第2期30卷 219-222页

作者：邱景辉索莹袁业术杨彩田哈尔滨工业大学电子与信息技术研究院黑龙江哈尔滨150001

超宽带天线技术具有广泛的应用前景,TEM喇叭天线是一种典型的超宽带天线.应用辐射方程,分析了带地板的TEM喇叭天线,对超宽带TEM喇叭天线阻抗和辐射特性问题进行了研究.该TEM喇叭天线由1个三角形金属板和1个地板组成,采用同轴线形式馈电... 详细信息

超宽带天线技术具有广泛的应用前景,TEM喇叭天线是一种典型的超宽带天线.应用辐射方程,分析了带地板的TEM喇叭天线,对超宽带TEM喇叭天线阻抗和辐射特性问题进行了研究.该TEM喇叭天线由1个三角形金属板和1个地板组成,采用同轴线形式馈电.基于传输线模型,对TEM喇叭天线进行了建模仿真,并进行实验研究,结果表明,在1 GHz^18 GHz频带内,反射系数控制在-10 dB以下,增益在8dB以上,并且在2 GHz^14 GHz频率范围内,增益均在12 dB以上.测试结果表明,该天线具有良好的阻抗特性、定向性和群延迟特性,对脉冲辐射通信系统和超宽带雷达的研究具有很好的理论与实用价值.

关键词： TEM喇叭天线超宽带高增益群延迟

一种超宽带TEM喇叭天线及阵列的设计与研究

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一种超宽带TEM喇叭天线及阵列的设计与研究

作者：侯荣璞西安理工大学

学位级别：硕士

TEM喇叭天线是目前最常见的脉冲辐射天线,有着定向性好、功率容量大、带宽较宽等优点。由于单极高斯脉冲信号的大部分能量集中在低频部分,所以提高脉冲辐射系统在低频段的效率就尤为重要。本文对TEM喇叭天线及阵列的低频辐射特性进行研... 详细信息

TEM喇叭天线是目前最常见的脉冲辐射天线,有着定向性好、功率容量大、带宽较宽等优点。由于单极高斯脉冲信号的大部分能量集中在低频部分,所以提高脉冲辐射系统在低频段的效率就尤为重要。本文对TEM喇叭天线及阵列的低频辐射特性进行研究,重点围绕天线的阻抗渐变、时域反射、远场辐射波形、阵列栅瓣等问题进行研究。论文主要的研究工作分为以下三点:1.对天线的阻抗渐变特性与时域辐射特性进行研究。分析了传统天线低频辐射效率低的原因主要是由于在低频时,电波聚集在天线末端口径从而产生反射。针对这一问题,设计了一种新型末端加载结构,解决了天线末端反射与低频时电波聚集的问题。通过对实物加工测试可以验证:加载该结构后,天线在全频段减小了方向图后瓣,低频时主轴增益提高了约1.5dB,低频带宽增加了约400MHz。与同类天线相比,末端加载天线低频辐射效率高,兼顾了低频带宽与小型化。2.为了解决单天线增益不足的问题,将本文设计的末端加载天线当做阵元,对天线进行组阵研究。从频域的角度分析了阵元间距、阵列的排布方式、阵元间的耦合对阵列增益的影响。根据分析结果,结合指标需求,设计了一种四元天线阵列,水平间距1100mm,垂直间距900mm,低频时3dB波束宽度为43.9°。与单天线相比,这种四元阵列在低频时主轴方向增益提高了约7.8dB。3.为了对阵列馈电,同时为了解决微带功分网络功率容量不足的问题,设计了一种四等分的七节同轴功分器,相对带宽大于1.6。将功分器与天线阵列联合仿真,得到阵列远场脉冲波形。与单元末端加载天线相比,在保证阵列低频带宽的前提下,天线阵列远场辐射电压rE值提高了约3V。

关键词：超宽带高功率微波 TEM喇叭天线末端加载阻抗渐变同轴分功率器

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超宽带TEM喇叭天线阵列的微遗传算法优化

电波科学学报 2008年第2期23卷 352-355页

作者：覃延明廖成卫涛刘昆西南交通大学电磁所四川成都610031

采用阵列天线是提高超宽带天线增益和方向性,降低副瓣电平的有效途径。应用时域有限差分法对超宽带TEM喇叭天线进行了时域模拟和分析,利用叠加原理,得到了九元tem喇叭线阵的时域辐射场信息;结合微遗传算法,对线阵天线的能量方向图进行... 详细信息

采用阵列天线是提高超宽带天线增益和方向性,降低副瓣电平的有效途径。应用时域有限差分法对超宽带TEM喇叭天线进行了时域模拟和分析,利用叠加原理,得到了九元tem喇叭线阵的时域辐射场信息;结合微遗传算法,对线阵天线的能量方向图进行了优化,获得了较窄的天线波束宽度,同时限制了天线阵列的最大旁瓣电平。与传统遗传算法相比,微遗传算法能更快获得收敛。

关键词：微遗传算法时域有限差分法超宽带天线 TEM喇叭天线天线阵列

一种带低频补偿的高功率超宽带TEM喇叭天线设计

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一种带低频补偿的高功率超宽带TEM喇叭天线设计

2019年全国天线年会

作者：李强兵刘丹中国直升机设计研究所

本文提出了一种带低频补偿的高功率超宽带TEM喇叭天线。通过对TEM喇叭天线增加低频补偿,可在不明显增加天线尺寸的情况下,拓展天线的低频带宽;同时通过在天线同轴馈电端口内外导体间填充尼龙,增加天线的功率容量。仿真结果表明,天线带宽... 详细信息

本文提出了一种带低频补偿的高功率超宽带TEM喇叭天线。通过对TEM喇叭天线增加低频补偿,可在不明显增加天线尺寸的情况下,拓展天线的低频带宽;同时通过在天线同轴馈电端口内外导体间填充尼龙,增加天线的功率容量。仿真结果表明,天线带宽为0.625～2.9GHz（相对带宽为129%）,功率容量可达10MW。

关键词：低频补偿超宽带高功率 TEM喇叭天线

来源： cnki会议评论

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cnki会议

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双极化TEM喇叭天线设计与分析

信息技术与信息化 2021年第5期 188-190页

作者：樊振鹏陈星四川大学电子信息学院四川成都610041

提出了一种双极化的TEM喇叭天线。采用末端加载的方式引导天线电流流通路径,实现了TEM喇叭天线的双极化设计。末端三角形平板防止了喇叭振子与加载的侧板构成双极板而产生侧边辐射,优化了天线方向图。双极化TEM喇叭天线解决了该天线在... 详细信息

提出了一种双极化的TEM喇叭天线。采用末端加载的方式引导天线电流流通路径,实现了TEM喇叭天线的双极化设计。末端三角形平板防止了喇叭振子与加载的侧板构成双极板而产生侧边辐射,优化了天线方向图。双极化TEM喇叭天线解决了该天线在实际工程中只有单极化的局限,很大程度上增加了其实际应用价值。经实验验证,该天线在1.16~10 GHz频段内VSWR测试结果基本低于2,天线的尺寸为96 mm×96 mm×60 mm,在电尺寸方面也小于传统的半波长TEM喇叭天线。

关键词： TEM喇叭天线双极化超宽带末端加载引流轴向辐射回波损耗

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超宽带TEM喇叭天线的小型化设计

信息技术与信息化 2021年第2期 166-170页

作者：朱春发陈星四川大学电子信息学院四川成都610064

本文设计了一种组合振子形式的超宽带TEM喇叭天线。在指数渐变结构的TEM喇叭天线基础上,将下极板设计为等宽的结构,用作上极板的接地板,从而改善了低频时天线馈电平行板与同轴电缆的阻抗匹配;采用磁偶极子低频补偿技术,通过在天线上、... 详细信息

本文设计了一种组合振子形式的超宽带TEM喇叭天线。在指数渐变结构的TEM喇叭天线基础上,将下极板设计为等宽的结构,用作上极板的接地板,从而改善了低频时天线馈电平行板与同轴电缆的阻抗匹配;采用磁偶极子低频补偿技术,通过在天线上、下和后侧面加载矩形金属板,以及在上极板与矩形金属板之间加载匹配带条的方式,减弱了天线周围的电抗能量,拓宽低频带宽,并有效地实现了天线的小型化。对该天线进行仿真优化并加工制作了天线实物,仿真和测试结果表明,该天线在0.65GHz-20GHz的频带内驻波比小于2.5,达到了31:1的倍频程;其尺寸为87mm×35.26mm×60.79mm(0.19λ×0.08λ×0.13λ),λ为天线工作频带低端对应波长;带内平均增益为10dBi且方向图定向特性良好。

关键词：组合振子超宽带 TEM喇叭天线低频补偿小型化