高辐射效率超宽谱脉冲辐射天线的设计与实验

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1、万方数据第26卷第2期2014年2月强激光与粒子束HIGHPOWERI。ASERANDPARTICI。EBEAMSV01．26，NO．2Feb．，2014高辐射效率超宽谱脉冲辐射天线的设计与实验。易超龙，樊亚军，丁臻捷，袁雪林，朱四桃，卢彦雷，夏文锋，石一平(西北核技术研究所高功率微波技术重点实验室，西安710024)摘要：设计了一种采用共面TEM馈电结构的抛物反射面超宽谱脉冲辐射天线，分析了该种馈电结构的阻抗特性与辐射特性。实验表明当馈入电压为3kV、前沿180ps的超宽谱脉冲时，该天线主轴辐射场测试距离与峰值场强之积平均值达到18．3kV，相较于常用的T

2、EM喇叭馈电的超宽带反射面天线，其辐射效率有了显著的提高。关键词：抛物反射面天线；超宽带；脉冲；高辐射效率中图分类号：TB822．8文献标志码：Adoi：10．3788／HPI．PB201426．023001超宽谱(UWS)电磁脉冲技术是高功率微波研究领域的前沿课题。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¨。]。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[4‘8]。目前抛物反射面超宽带天线常用的馈电结构为TEM喇叭，其特点是结构简单，馈电方便，但口径反射大，馈电

3、效率低。若用其做超高重复频率脉冲的辐射天线，较大的口径反射将对脉冲源造成很大的伤害。美国研究人员C．E．Baum及E．G．Farr首先提出采用共面TEM馈电结构作为抛物反射面天线的馈源凹]，该结构能有效减小对聚焦波束的遮挡效应，具有较高的辐射效率，是作为超宽谱脉冲辐射的理想天线。该天线结构较复杂，设计难度大，国内尚无该类天线的设计与实验报道。本文给出了这种天线的设计原理与方法，并在数值模拟的基础上对天线结构进行了优化设计，得出了该天线的最佳结构参数，最后设计了一副直径2．1rn的反射面天线，并进行了实验研究。1天线结构共面TEM馈电抛物反射面天线的结构如图1

4、所示，由2对互相交叉的馈臂、匹配电阻和抛物反射面组成。该天线有如下特点：(1)采用共面馈电结构，每对馈臂的上下极板在同一平面内，与以往的非共面TEM喇叭馈电结构相比，对辐射波的遮挡很小，有利于提高前向辐射场。(2)共面馈臂、匹配负载与反射面之间构成了低频补偿回路，无需额外增加电流环即可实现电振子与磁振子的互补辐射，该结构实现了文献Elo一11]中提出的低频补偿与电磁振子互补辐射功能．从而提高辐射效率。(3)共面馈臂与反射面之间加载匹配电阻，减少了馈臂末端的反射，从而减小了对脉冲源的伤害，有利于脉冲源长时间稳定运行，同时对波形保真也有利。(4)两对馈臂既可以同

5、时馈电又可以分开延时馈电，从而可以很方便地实现双极化辐射。Pulseradiatingantennawith

6、)lanarTEMfcedstructure}面TEM馈电抛物反射面天线2天线设计2．1馈源特性阻抗设计馈电结构设计中馈源阻抗设计是关键。当阻抗不匹配时会在TEM喇叭天线中产生多次反射，降低馈电效率并在辐射信号中加入延时脉冲。克服失配的方法是减小结构上的不连续性以防高次模的产生或采取阻抗渐变措施。但是有研究指出沿喇叭向辐射口径端阻抗渐变到377Q以与自由空间匹配的设计思想其实并不能*收稿日期：2013一04—25；修订日期：2013—09—05作者简

7、介：易超龙(1979一)，男．硕士，主要从事高功率微波研究_T作；yichaolong@sina．corn。02300l一1万方数据强激光与粒子束完全克服失配反射。理论与实验都表明‘12I，恒阻抗TEM喇叭的辐射性能要优于变阻抗TEM喇叭。对一定结构的TEM喇叭，都存在一最佳特性阻抗，当喇叭以该特性阻抗辐射时，增益最大，辐射效率最高。在超宽带天线设计中，美国研究人员C．E．Baum引入了一个衡量天线设计性能的参数时域增益G，，其定义为‘133G，一2丌c以g(1)^一等一去㈤刀上厶U7c式中：r为测试距离；E为辐射远场天线主轴场强；V为馈电结构上的脉冲电压；

8、c为真空中光速；Z。为天线特性阻抗；刁为自由空间波阻抗。由于超宽带天线辐射远场r与E之积为恒值，当天线结构一定时，该值与dV／dt成正比，将场强计算式凹1E(r，z)一丽h瓦a面dV(3)代入式(1)，可推导出Gn2去㈤其中h。为天线的等效高度，其值与天线的具体结构有关。在该定义中，时域增益G，的单位为长度单位，与窄带中增益的定义完全不同，该值不依赖于天线的馈入特性，也不依赖于天线的辐射特性，仅决定于天线的结构。该值越高，天线性能越优，辐射效率越高，是衡量天线设计优劣的一个参数。容。计算该分布电容值可得喇叭特性阻抗为m。15]Fi8·2&甜5j”。：”。zc

9、—z。揣㈣酗舰躺稔图其中K(rn)和K7(研)分别是