一种高功率超宽带双脉冲辐射天线的设计

一种高功率超宽带双脉冲辐射天线的设计

高功率超宽谱电磁脉冲技术（uw）是高功率微波研究领域的前沿主题，具有重要的实践价值。目前UWS技术在目标识别、目标探测、卫星通信以及医学成像等领域已经开始得到应用,并显示出广阔的应用前景。超宽带(UWB)辐射天线是UWS技术应用中不可或缺的系统。在超宽谱电磁脉冲发射技术方面,横电磁波(TEM)喇叭天线得到了广泛的研究和应用;而由TEM喇叭馈电的抛物反射面超宽带天线由于具有空间聚焦能力强、波束窄的显著特点,成为目前最为常用的高功率超宽带天线之一;带镜面板的半抛物反射面超宽带天线,由于馈电更为方便,结构相对简单,也得到了广泛应用。不过这些天线一般都是针对相应的超宽谱电磁脉冲形式而设计,只能辐射一路电磁脉冲,其辐射场频谱宽度是恒定的,但许多实际应用中我们并不知道目标的频谱响应范围是多少,这就要求我们尽可能地拓宽辐射脉冲的频谱宽度。本文针对此应用需求设计了一种超宽带双脉冲辐射天线。天线采用带镜面板的半抛物反射面结构,使用三个馈源共用一个抛物反射面进行辐射。馈源可以输入双路不同脉宽的超宽谱电磁脉冲,脉冲间隔根据应用需求设计成一定的时延。该天线既能输出双路组合脉冲,又能单独输出不同脉宽的单路脉冲。对该天线的辐射特性进行了数值模拟与实验研究,对辐射组合脉冲采用短时傅里叶变换(STFT)进行了联合时频分析,并与单路输出结果进行了对比。结果表明采用双路输出后辐射场的频谱宽度比单路输出有了明显的拓宽,达到了设计目的。1脉冲能量密度频谱超宽谱电磁脉冲的脉宽不同,其频谱分量也不一样。脉宽越宽,低频含量越大。若将两种不同脉宽的超宽谱脉冲组合在一起,那么组合脉冲频谱将是对应于该信号每一部分的频谱之和,即S=S1+S2(1)S=S1+S2(1)从而达到拓宽频谱的目的。但是,能量密度并不是每一部分能量密度之和,也就是说|S|2=|S1+S2|2=|S1|2+|S2|2+2Re{S1×S2}(2)|S|2=|S1+S2|2=|S1|2+|S2|2+2Re{S1×S2}(2)这样,组合脉冲能量密度频谱就不是每一个脉冲能量密度频谱之和。其物理原因是:当我们把两个信号相加时,波形可以相加,但各种干扰对原频率产生不同的加权。在数学上,这反映在能量密度频谱和的绝对平方,这一事实是由于非线性作用的结果。强度怎样变化根据方程(2)来考虑。能量密度频谱随脉冲间隔而变化,甚至当时间间隔很大也是如此。因此,我们可以根据应用要求,通过改变两种脉冲的时间间隔来改变组合脉冲的能量密度频谱分布。2信号的时钟分布本文傅里叶变换及其逆变换建立了信号频域与时域的映射关系,但傅里叶变换是一种整体变换,对信号的表征要么完全是时间域,要么完全是频率域,无法给出信号频谱随时间的变化规律。而对于超宽谱脉冲信号而言,由于其频谱随时间有较大的变化,只了解信号在时域或者频域的全局特性是远远不够的。时频分析方法能将1维时域信号变换到2维或3维的时频平面,并在时频平面上表示出信号中各个分量的时间关联谱特性,在每个时间指示出信号任意瞬时频率附近的能量聚集情况,能够全面地反映出超宽谱电磁脉冲的时频联合特征。短时傅里叶变换是应用最广泛的一种时频分析方法,其基本思想是用窗函数来截取信号,假定信号在窗内是平稳的,采用傅里叶变换分析窗内的信号,以确定窗内存在的频率成分,然后沿着信号时间方向移动窗函数,得到频率随时间的变化关系,即所需要的时频分布。信号s(t)的短时傅里叶变换表示为St(ω)=(1/2π−−√)∫e−jωτs(τ)h(τ−t)dτ(3)St(ω)=(1/2π)∫e-jωτs(τ)h(τ-t)dτ(3)式中:h(τ)为窗函数。在时间t的能量密度频谱是PSP(t,ω)=|St(ω)|2=∣∣∣(1/2π−−√)∫e−jωτs(τ)h(τ−t)dτ∣∣∣2(4)ΡSΡ(t,ω)=|St(ω)|2=|(1/2π)∫e-jωτs(τ)h(τ-t)dτ|2(4)对于每一个不同的时间,都可以得到一个不同的频谱,这些频谱的总体就是时频分布PSP(t,ω),即频谱图。3天线设计3.1双极脉冲辐射特性馈入的双路脉冲为峰值电压相同、峰峰值脉宽tp-p分别为1.7ns与3ns的双极脉冲,其-10dB频谱宽度分别为26～458MHz与15～295MHz。由于双极脉冲的低频含量比单极脉冲少,采用双极脉冲辐射能有效提高天线的馈电效率。两路脉冲归一化波形如图1所示。根据应用需求,我们可以通过调整馈线长度来改变两路脉冲的时间间隔。最终设计为3ns脉冲滞后1.7ns脉冲约12.5ns。3.2tem喇叭覆盖设计为满足高功率超宽谱电磁脉冲辐射要求,天线采用半抛物反射面+镜面板+TEM喇叭馈源的形式。TEM喇叭均置于充满变压器油的有机玻璃介质箱体中。关于半抛物反射面天线的设计及相关结论可参考文献。本文设计的半抛物反射面天线直径为8m,焦距3.2m,对应的反射面半张角约为64°。镜面板为8m×6m的矩形金属板。3.3馈源位置选取馈源是整个天线设计的关键。馈源的性能很大程度上决定了天线的性能。为满足双路输出的要求,馈源设计为3个TEM喇叭共用1个反射面进行辐射的形式。馈源布局如图2所示。两路脉冲的馈源辐射中心都应置于抛物面的焦点上,具体设计为:1.7ns脉冲由阻抗50Ω馈线馈入中间馈源,并将其辐射中心置于抛物面焦点上。3ns脉冲由功分器分成两路,这两路信号分别由100Ω至50Ω阻抗渐变馈线同时馈入两侧馈源。两侧馈源构成水平二元阵列,其辐射主轴位于两阵元连线的中垂线上,两馈源辐射中心连线的中点置于抛物面的焦点上,相当于将馈源放在了抛物面焦点上。TEM喇叭辐射中心的位置选取很关键,它影响到天线口径上的场分布,进而影响天线的辐射场强。其位置受喇叭口径大小、喇叭特性阻抗及馈入脉冲形式等诸多因素的影响,且两个主平面(H面与E面)的辐射中心一般还不一致。本文采用文献定义最优相位中心的方法确定馈源的位置,具体为沿主轴方向前后移动馈源,同时测量辐射场强。辐射场强最大值时的馈源位置即为辐射中心。根据馈入脉冲的频谱宽度,馈源的长度都选取为75cm。为获得高的口径效率,必须使馈源方向图与反射面匹配。抛物反射面的峰值口径效率出现在边缘照射约-11dB处,对应本文天线的馈源方向图-11dB波束宽度约为128°,馈源的口径尺寸即以该目标进行优化设计。为了提高馈源的低频辐射能力,我们在每个馈源末端加载了一段导体板。导体板的长度以馈源方向图与反射面相匹配来选取。以上优化设计过程都由电磁场数值计算软件CSTMICROWAVESTUDIO来完成。采用的计算方法为时域有限积分(FIT)。最终设计结果为:中间馈源口径宽45cm,高30cm,两侧馈源口径高和宽均为30cm。反射面焦点置于中间馈源口径面内侧10cm处,两侧馈源口径面相对于中间馈源口径面向后移动10cm。两侧馈源馈电点间距1.1m。3个馈源末端加载的导体板长度都是50cm。3.4辐射场频谱分析模拟所得距离天线100m处主轴归一化波形如图3所示。3ns脉冲的幅度要小于1.7ns脉冲,这主要是由于3ns脉冲的低频含量比1.7ns脉冲大,导致两侧馈源的馈电效率降低,同时中间馈源的存在也降低了两侧馈源的辐射场强。用STFT方法对该波形进行时频分析,所加窗函数为Hamming窗,表达式为h(n)=0.54−0.46cos(2πnL−1),0≤n≤L−1(5)h(n)=0.54-0.46cos(2πnL-1),0≤n≤L-1(5)式中:L为窗口长度。结果表明,1.7ns与3ns辐射脉冲-10dB频谱宽度分别为120～482MHz和50～265MHz,组合脉冲的2维频谱图如图4所示,其-10dB频谱宽度为60～490MHz,几乎涵盖1.7ns与3ns的频谱范围,辐射场频谱得到了很大拓宽。从频谱图上可以看出,组合脉冲中-40dB以上频谱成分从1.7ns脉冲开始时刻一直延续到3ns脉冲结束时刻,在这段脉冲持续时间内的任一时刻都包含了非常丰富的不同频谱密度的频谱成分,这一结果正好满足了UWS技术的应用需求,使我们可以在更宽的频谱范围内作用于更多的目标物体,拓展UWS技术的应用范围。4模拟结果与实验结果根据数值模拟优化结果,我们设计了超宽带双脉冲辐射天线实验装置。超宽谱高功率微波源位于镜面板下方,产生的双路脉冲经同轴传输线垂直馈入馈源。馈入的脉冲波形与图1所示一致。在距离天线100m处测量主轴波形,结果如图5所示。1.7ns脉冲与3ns脉冲形状基本与模拟结果一致。由于地面的影响,实验波形中多了许多反射波形。用STFT方法对该组合脉冲进行时频分析,频谱图示于图6。分析结果表明,1.7ns与3ns辐射脉冲-10dB频谱宽度分别为160～470MHz和85～305MHz,而组合脉冲-10dB频谱宽度为95～46