双极变张角时域天线的设计

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1、引言

光电子技术、微波技术和激光技术的进步和相互结合,产生能够工作在时域的高速、高频电子开关器件-光导开关。该开关具有良好的电磁学响应特性。在线性工作模式下的输出波形近似为高斯脉冲。考察几种常见的超宽带天线可发现,一些传统的超宽带天线形式并不能辐射时域脉冲波形,只有领结天线、单极天线、双锥天线和TEM喇叭天线等形式可辐射时域波形。

空间技术的发展对天线共形提出更高的要求。英国宇航公司研制高性能小尺寸的光导开关,试验中光导天线系统产生了30 MW的高功率微波。若把该光导开关和天线镶嵌在作战飞机的保形蒙皮内,可能实现高功率微波(High Power Microwave,简称HPM)武器的效果。

其中一项关键技术就是如何选择或设计高性能的时域超宽带天线形式,该天线具有尺寸小,能够承受较大功率,具有定向辐射性能,剖面低易于与载体共形等特点。(一种新型宽带反射阵单元天线设计及性能分析

2、新型时域天线分析

Vivaldi天线是由较窄的槽线过渡到较宽的槽线构成的。槽线宽度呈指数规律变化,宽度由内向外逐渐增大,形成喇叭口状向外辐射或向内接收电磁波。一般耦合型Vivaldi宽带天线的带宽主要受微带线到槽线变换的限制,而对极型Vivaldi天线由于其微带线及其接地面都逐渐展开,因此没有变换匹配的限制,其带宽主要由槽线和自由空间的匹配决定,故通常可达几十个倍频程。根据对极型Vivaldi宽带天线的设计理论做相应的电磁仿真(图1a),仿真模型尺寸为94 mmx40 mm×3.15 mm,采用高斯脉冲激励,如图1b所示,Vivaldi天线能够辐射时域波形,可作为时域天线使用。不过Vivaldi天线为辐射方向为端射方向,该天线在辐射方向上剖面大,很难与平面载体表面共形,可将Vivaldi天线放在导弹前端作为导引头使用。Vivaldi天线形式为微带结构,功率容量小,不能作为高功率超宽带电磁脉冲系统的天线单元。为方便比对,这里仿真的馈电均采用高斯脉冲激励,为模拟光导开关的线性响应,高斯脉冲的脉冲宽度取120 ps,即研究比较成熟的GaAs光导开关线性响应的脉冲宽度。Valentine天线属于行波天线。它由铜条带按特殊的轮廓图1对极型Vivaldi天线仿真时域结果弯曲而成,这种结构设计优化高频和低频的辐射性能。对该天线进行近似模拟仿真(图2a),天线尺寸为950 mm×1 136 mm×50 mm。图2b为仿真结果,Valentine天线能够辐射时域波形,该天线具有增益高,方向性好,低交叉极化,保形性好,可承受高电压脉冲等优点,可是作为超宽带雷达研究的一个实例,不过该天线形式尺寸和天线剖面都较大,不易与载体共形。

对极型Vivaldi天线仿真时域结果

图1、对极型Vivaldi天线仿真时域结果

Valentine天线仿真时域结果

图2、Valentine天线仿真时域结果

3、双极变张角时域天线的设计

机载共形要求天线尺寸小,并且可承受较大的功率。天线设计的具体要求有:需要天线有超宽带特性,普通的宽带或窄带天线不符合设计要求;需要天线单元定向辐射,因此盘锥天线、双锥天线和领结天线形式不符合设计要求;要求天线可以承受较大的功率,Vivaldi天线等微带天线形式不符合设计要求;要求天线尺寸小,易加工,Valentine天线等较大尺寸的天线形式不符合设计要求;要求天线剖面低,易于与载体共形,因此TEM喇叭天线不符合设计要求。

这里结合领结天线的低剖面优点和TEM喇叭天线的定向辐射特点,设计一种定向辐射的天线形式一双极变张角天线,构成天线的曲线形式可选二次曲线或指数曲线。曲线渐变的天线形式大多阻抗变化连续,有时可较大改善天线的阻抗性能。经尝试对比,指数曲线比二次曲线的曲率变化易于调试,最终选择指数曲线形式。

曲线参数为:

y=cexp(ax+b)±d

式中,a,b,c,d为指数曲线的4个可调节参数,可根据实际应用需求调节其取值范围,在确定的取值范围内将各参数作为优化参量优化需要的天线指标。

首先在频域标准下优化该天线的曲线形式,在固定天线剖面15 mm不变的前提下,以指数曲线各参数为优化变量,以天线在脉冲频谱内S11曲线最小为优化目标,图3a为优化得到的天线形式,天线尺寸为100 mmx100 mmx15 mm。图3b、图3c为仿真结果,虽然天线在整个频带内阻抗匹配较好,具有超宽带天线特性,但该天线主辐射方向上的时域电压响应波形并不理想,天线未达到时域波形的保形条件。

超宽带双极变张角天线

图3、超宽带双极变张角天线

在时域标准下优化该天线的曲线形式,即在天线剖面为15 mm不变的前提下,以指数曲线各参数为优化变量,以天线的峰一峰值为优化目标,图4a为优化得到的天线形式,天线尺寸结果为25 mmx25 mm×15 mm,在同样的峰峰值情况下,该天线比其他时域天线的尺寸要小得多。

双极变张角时域天线

图4、双极变张角时域天线

图4b为仿真结果,双极变张角天线可辐射较标准的时域波形。时域响应波形具有较好的保形性和对称性,且拖尾较小。该天线可满足前面提到的时域天线设计的各种要求。

4、结束语

时域定义下评价时域天线设计,主要包括辐射波形的脉冲拖尾、峰峰值、对称性和天线的保形性。通过对不同形式的超宽带天线对比,总结出时域超宽带天线的一些设计要求:天线可辐射TEM波;天线的相位中心在脉冲频谱内变化不大;天线在频谱范围内电压响应较平坦。结合光导开关线性模式脉冲响应波形设计一种新型的时域超宽带天线,即双极变张角天线。利用光导开关作为激励的双极变张角天线天线单元组阵,镶嵌到光传操纵的作战飞机保形蒙皮内,通过空间功率合成技术可实现HPM武器的效果。

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