新型EMC宽带TEM喇叭天线设计

摘要

本文提出了一种结构新颖的宽带TEM喇叭天线，满足电磁兼容（EMC）测量设备对宽频带天线的需求。天线辐射结构采用了上下对称的双指数渐变复合结构的金属板，使得天线的谐振模式大大增加，从而拓展带宽天线，然后通过巴伦结构与同轴线匹配馈电，降低输入端不平衡馈电造成的强反射。经过结构尺寸的仿真优化，天线尺寸为0.356λ×0.15λ×0.2λ（λ为最低工作频率对应波长）。在0.3GHz-10GHz频率范围内，天线的电压驻波比基本低于2，具有超过30个倍频程的良好的宽带特性。并且在工作频率范围内，天线辐射方向图稳定，增益高。本文提出的宽带TEM喇叭天线具有宽带和良好的辐射性能，在EMC测量具有广泛的应用前景。

一、引言

电磁兼容（EMC）作为电气科学的分支，是主要研究系统发射、传播和接收过程中的出现的电磁干扰能量并且分析和解决这些能量可能产生的不良影响的一门学科。EMC的研究是现代电子科技发展的必要条件。在EMC工程应用中，测试频率范围需求越来越宽，因此EMC测试对天线的宽带性能期望也越来越高^[1]。符合宽带性能要求的天线结构通常为：喇叭天线，对数周期天线，双锥天线等。

喇叭天线由于其结构简单，具有高增益和宽带特性而广泛应用于EMC测量天线。其中TEM喇叭天线因为具有更简单的结构，更易于激励而得到了广泛的重视^[2,3]。对于TEM喇叭天线的研究，一直以来都收到人们关注。M.Kanda通过研究阻抗加载对TEM喇叭天线的影响，使得天线带宽得以通过阻抗加载展宽^[4]。A. S. Turk等人通过在天线加载介质以及采用形状独特的金属平板来提高TEM喇叭天线的带宽^[5]。本文提出了一种辐射部分为对称双渐变复合结构金属板的宽带TEM喇叭天线，并且通过CST建模和仿真优化，最终设计出具有良好宽带特性和高增益性能的天线。

二、天线设计

A. TEM喇叭天线工作原理

传统的TEM喇叭天线一般由两个具有一定张角的平面三角金属板和馈电部分组成。其工作原理可以用平行传输线的模型来阐释。如果把平面金属板分成足够小的N段区域，等效为N段短平行传输线，每段区域近似为平行的具有不同宽度的短金属板，如图1所示。那么，从馈电端开始，每一段区域的输入输出阻抗可以通过公式（1）表示^[6]：

（1）

其中Z_in为输入阻抗，Z_out为输出阻抗，l为传输线长度， Z₀为传输线特性阻抗，β为传输线波数。

图1. 渐变传输线模型

馈电端阻抗一般为50Ω或者75Ω，因此为了匹配延伸向自由空间的口径阻抗120πΩ，天线的平面金属板需要具有一定渐变结构，即每一段区域的金属板宽度和金属板间距应随距离的延伸而逐渐变化，因此对金属板的尺寸以及金属板仰角的选取就成了决定天线阻抗带宽的重要因素。

B.宽带TEM喇叭天线设计

本文设计的宽带TEM喇叭天线主要由同轴馈电和辐射金属板两部分组成：馈电部分为同轴馈电线，通过巴伦结构匹配到天线辐射金属板；辐射部分为上下对称的双渐变复合金属板，通过优化设计渐变结构展宽天线带宽。

对于一个通带内阻抗几乎恒定的TEM喇叭天线，通常存在的问题是输入端不平衡馈电造成的强反射。为了避免和减少这些反射，在TEM喇叭天线的输入端应该通过巴伦结构来实现阻抗变换，使天线与馈电线在通带内阻抗匹配。本文天线设计的椭圆渐变线巴伦结构如图2.（a）所示，同轴线内芯通过梯形渐变结构馈入天线上半部分的金属板，同轴线的外皮通过椭圆渐变线结构过渡到天线下半部分的金属板馈入端。

辐射金属面的渐变结构使得TEM喇叭天线口径阻抗平稳过渡到输入端口，本文采用了两种渐变结构不一致的复合结构金属板，使得天线的谐振模式大大增加，从而拓展带宽。同时，根据八木天线原理，渐变缓慢的金属板相对渐变强烈的金属板能提供引向器的作用，同理渐变强烈的金属板相对渐变缓慢的金属板相当于反射器，从而提高TEM喇叭天线的定向性。

在电磁仿真软件CST对本文的宽带TEM喇叭天线建模，如图2所示，金属板材料设为PEC，馈电端口为波端口。渐变金属板的轮廓曲线可以由式（2）表示。其中，h表示辐射金属板距离天线中心线的高度，W表示辐射金属板宽度，这两个参数都随天线延伸长度变化而变化。t和t1为辐射金属板向口径面延伸的长度，A、B、C、D、t为渐变缓慢金属板的轮廓曲线参数，A1、B1、C1、D1、t1为渐变强烈金属板的轮廓曲线参数。本设计中，高度变化曲线表现为指数增长，宽度变化曲线表现为线性增长。为了得到合适的天线阻抗带宽和增益，对天线结构尺寸进行仿真优化，最终得到天线结构的主要参数见表1。

（2）

0mm≤t≤200mm，0mm≤t1≤150mm

表1：

A	A1	B	B1	C	C1
5	5	0.015	0.024	15	15
D	D1	W1	W2	W3	W4
0.27	0.4	150mm	365mm	10mm	20mm

（a）天线立体图

（b）天线正视图（左）和侧视图（右）

图2. 天线结构图

三、仿真结果分析

经过CST仿真软件对天线参数的优化，天线的电压驻波比（VSWR）如图3所示。可以看到，天线几乎在0.3GHz-10GHz整个频带范围内VSWR<2，倍频程达到33.3。天线之所以具有如此宽的阻抗带宽，是由于指数渐变金属板结构使得馈源端口阻抗平稳地逐段区域匹配到喇叭口径面阻抗，使电磁波能良好地通过辐射到自由空间。同时复合渐变结构也增加了TEM喇叭天线的谐振模式。对于输入端口来说，在工作频带内，由于天线的渐变匹配结构，天线输入阻抗近似恒定。

图3. 回波损耗曲线图

本文宽带TEM喇叭天线在2.5GHz，5GHz，7.5GHz三个频点的立体辐射方向图如图4所示。天线展现出稳定的辐射方向图性能，在各仿真频点下，增益能达到11dBi，后瓣电平低。并且基本上随着工作频率升高，天线增益越高。传统的TEM喇叭天线由于不平衡馈电问题，很容易造成方向图畸变。本文天线通过椭圆渐变线巴伦结构，使得天线辐射部分平衡馈电，减弱了这一影响。同时，复合金属板结构使得天线的定向性进一步提高。

（a）2.5GHz

（b）5GHz

 

（c）7.5GHz

图4 天线立体辐射方向图

四、总结

本文根据EMC测量设备对超宽带天线的需求，提出了一种新颖的宽带TEM喇叭天线。天线辐射部分为指数渐变结构，口径面尺寸约为365mm×150mm，径向长度为200mm。通过椭圆线渐变巴伦结构和指数渐变结构的辐射金属板，天线馈电端阻抗能够与自由空间阻抗平稳匹配，并且由于双渐变结构的复合提高了谐振模式，使天线在0.3GHz-10GHz工作频率范围内电压驻波比小于2，分数带宽大于18.8%，倍频程大于30个。同时，天线的四金属板结构提高天线的增益和方向图稳定性。最终天线具有高增益特性，各频点下辐射方向图稳定。

作者：徐超龙、李娜，西安电子科技大学

参考文献

[1] Vicente Rodrigue. New broadband EMC double ridge guide horn antenna 2004.5.
[2] A. R. Mallahzadeh and F. Karshenas, “Modified TEM horn antenna for broadband applications,” Prog. Electromagn. Res., vol. 90, pp. 105–119, 2009.
[3] Sara Banou Bassam, Jalil-Agha Rashed-Mohassel, “A Cheby-shev tapered Tem horn antenna,”Progress In Electromagnetics Research (PIER), vol. 2, pp. 706-709, 2006
[4] M. Kanda, "The effects of resistive loading of "TEM" horns," IEEE Transaction on Electromagnetic Compatibility., vol. 24, no2, pp 246-255, May 1982
[5] A. S. Turk, A. K. Keskin. “Vivaldi shaped TEM horn fed ridged horn antenna design for UWB GPR systems,”in Proc. IWAGPR, 2011, pp. 1–4
[6] Yi Huang, Kevin Boyle. Antennas: from theory to practice [M]. A John Wiley and Sons, Ltd, Publication, 2008.

本文刊登于微波射频网旗下《微波射频技术》杂志 2016电磁兼容专刊，未经允许谢绝转载。