摘要：天线作为电子系统发射和接收电磁波的装置，极易与电磁脉冲发生耦合，从而干扰电子系统工作或使接收机阻塞，甚至损坏接收设备的敏感元件。偶极子天线是一种典型的线天线，结构形式简单，应用广泛，但工作频带较窄。当宽谱电磁脉冲入射时，输出响应包含带内响应与带外响应两部分。近年来，诸多研究者针对线天线与电磁脉冲的响应特性进行了大量研究，如采用互易定理推导了对称振子天线的耦合长度与耦合面积、矩量法计算单极子天线在电磁脉冲辐照下时域和频域的响应特性、时域有限差分法计算偶极天线对电磁脉冲的耦合特性、时域积分法计算天线瞬态响应等。数值计算方法可较为精确地计算得到天线的带内带外响应，然而计算过程需建立数值模型且划分网格，耗时较长且复杂。与之相比较，等效电路分析方法方便快捷。为此，文章围绕利用等效电路研究偶极子天线带外响应特性方面进行分析，具有重要的现实意义。
关键词：偶极子天线；等效电路；带外响应特性
引言：对偶极子天线进行集总参数等效电路建模，通过实验与数值模拟对等效电路的输出响应结果进行对比分析。研究结果表明：偶极子天线集总参数等效电路可用于分析偶极子天线带外响应问题，适用的频率范围为直流至偶极子天线的第二谐振点。当入射电磁脉冲的频谱范围位于该频率范围内时，可采用集总参数等效电路分析计算天线的输出响应；若入射电磁脉冲频谱超出该频率范围时，则由等效电路计算得到的输出响应波形将发生明显畸变，即该等效电路将不适于研究天线的带外高频问题。该研究结果明确了集总参数等效电路的适用频率范围，将有助于准确地应用集总参数等效电路来分析电磁脉冲与天线的响应问题。
1、微带偶极子天线的结构
将工作于半波状态的对称振子天线与微带天线技术相结合。整个天线结构分为5部分，即介质层、偶极子天线臂、微带巴伦线、微带传输线和天线馈电面。其中，介质层的材质为相对介电常数εr=4.4的环氧树脂玻璃纤维板(FＲ4)，采用双面敷铜，构成偶极子天线的两臂、微带馈线和微带巴伦。激励信号从天线馈电点处馈入，经过微带巴伦结构和微带传输线传输到偶极子天线的两个臂上。在微带传输线上，电流方向相反，不会辐射电磁波。对于半波偶极子天线，天线两个臂的总长度约为1/2个工作波长。偶极子天线是一个对称结构，传输线上的馈电电流必须是对称分布的。在与SMA母座连接时，需要采用一个不平衡到平衡的转换结构;另外，从阻抗匹配的角度，半波偶极子天线的输入阻抗约为73.2Ω，而馈电端口阻抗为50Ω，需要采用巴伦实现阻抗匹配。图中的三角形微带巴伦和微带传输线一起可以起到阻抗转换的作用，相当于1/4波长阻抗转换器。调节传输线的长度和三角形的大小，可以改变馈电面的输入阻抗。
2、偶极子天线等效电路建模
2.1、等效电路基本模型
偶极子天线的五元件集总参数等效电路模型及等效方法，如图１所示。图1中CO为天线在较低频率时的等效电容，即在低频时，偶极子天线的阻抗可近似为该电容的容抗XCO，电阻可忽略不计。XLO为感抗；ＲＡ与Ｘ１分别为R1，L1，C1并联电路的总电阻与总电抗。其中，LO，CO与Ｌ１，C1均在谐振点ｆ２处满足谐振关系；在谐振点ｆ１处，天线阻抗虚部为零。
图一为等效电路
2.2、实例计算建模
确定偶极子天线尺寸参数，本文中偶极子天线无巴伦结构。采用1.1节中的集总元件计算方法，分别计算各偶极子天线等效电路各元件参数值。
表1 偶极子的大小参数
3、时域响应实验方法
基于超宽谱电磁脉冲辐射场测量实验对表１中的偶极子天线展开时域响应实验，该实验在微波暗室中进行。采用两副相同的TEM喇叭天线分别作发射与接收，且在轴向正向对准，极化方向相同，间距D＝5ｍ，天线架高Ｈ＝1.5ｍ。脉冲源产生高斯脉冲，通过20ｄＢ衰减器经功分器分别输入至发射天线与宽带示波器；接收天线测量得到发射天线的远场辐射脉冲波形输入至宽带示波器。完成辐射场波形测量后，将接收ＴＥＭ喇叭天线用待测偶极子天线代替，位置条件不变，在相同的激励下，记录偶极子天线的输出响应。其中，脉冲源输出阻抗、宽带示波器输入阻抗及1＃、2＃、3＃同轴电缆的特性阻抗均为50Ω。实验前对所用衰减器、同轴电缆的衰减量进行校准。
4、响应结果对比分析
4.1、时域响应对比
将等效电路、数值模拟以及实验测量所得的偶极子天线时域响应波形绘于图可以看到，相同激励波形下，A1和A2偶极子天线数值模拟与实验测量得到的响应波形变化趋势基本一致，仅幅值略有差别。而等效电路输出响应波形与数值模拟、实验测量结果相比差异很大。表现在，从波形变化趋势来看Ａ１天线在1～2.5ｎｓ区间、A2天线在1～3ｎｓ区间，即波形前段部分等效电路输出响应波形存在振荡，而在上述时间区间外，等效电路输出响应波形与数值模拟、实验测量波形趋势较为吻合，例如响应波形的第一个峰符合较好；从峰值来看，等效电路输出响应峰值大于实验测量结果。初步判断产生此现象的原因为等效电路的高频耦合量较实际偶极子天线更多，以至于其输出响应波形的前段趋势、峰值均产生较大改变。由此说明偶极子天线的集总参数等效电路不够完备，但时域响应不能够确定集总参数等效电路的适用频率范围，因此下面将考虑从频域等效高度的角度来进行比较。
4.2、频域特性对比
天线的输出响应与其激励波形之间通过天线的传递函数相联系，相同激励下，响应波形发生畸变，说明等效电路的传递函数与实际偶极子天线不符。传递函数的幅频特性称为等效高度，记为ｈｅ（ｆ）＝｜Ｔｄｉｐｏｌｅ（ｆ）｜。对等效电路、数值模拟与实验测量结果进行处理，获得不同偶极子天线的等效高度随频率的变化曲线。数值模拟所得的偶极子天线等效高度曲线与实验测量曲线基本吻合，均在天线第一谐振点附近存在一个峰值，之后随着频率增加等效高度曲线趋于平缓，再无峰值出现，说明偶极子天线接收入射电磁脉冲时，第一谐振点及其附近的频率成分应着重考虑。而等效电路所得的等效高度曲线，存在两个峰值，峰值几乎一致。等效电路所得的等效高度曲线变化趋势与数值模拟、实验测量所得曲线基本一致，仅峰值存在差异，但由于偶极子天线带宽较窄，表现在时域，其响应波形趋势并不会产生较大差异。从等效高度曲线的变化趋势来看，偶极子天线的集总参数等效电路存在一个频率适用范围0＜ｆ＜ｆ0，而在此范围内可利用等效电路来分析电磁脉冲与天线的响应问题，由于偶极子天线带宽有限，因此部分响应事实上即为其带外响应；当入射电磁脉冲频谱超出该频率范围，集总参数等效电路则不再适用[1]。
结论
文章阐述了天线等效电路的建模方法，其次通过实验与数值模拟从时域和频域对等效电路的输出响应进行对比验证和分析。结果表明，集总参数等效电路可用于分析偶极子天线的带外响应问题，将等效电路的频率适用范围从天线工作频带扩展至天线带外，即直流至天线的第二谐振点，超出该频率范围时，偶极子天线的集总参数等效电路输出响应波形将产生明显畸变，等效电路将难以等效天线的带外高频特性。本文的研究结果指出了偶极天线集总参数等效电路的适用频率范围，将有助于更加准确地应用集总参数等效电路来分析天线响应问题。同时可以看到，集总参数等效电路的应用将受到频率的限制，下一步将考虑建立适用频率范围更宽、精确度更高的偶极子天线分布参数等效电路模型[2]。
参考文献：
[1]赵振江，杜正伟，龚克．电磁波激励下天线的响应特性分析[J].电波科学学报，2016,20)4_:418-419.
[2]曹磊．基于FDTD分析天线对电磁脉冲响应特性[D].哈尔滨：哈尔滨工程大学，2018
论文作者:陈建军
论文发表刊物:《电力设备》2018年第19期
论文发表时间:2018/10/14
标签：天线论文; 偶极子论文; 等效电路论文; 微带论文; 波形论文; 脉冲论文; 时域论文; 《电力设备》2018年第19期论文;