一种高能脉冲天线设计分析

刘兴隆,伍 洋

(中国电子科技集团公司第五十四研究所,河北石家庄050081)

0 引言

渐近线喇叭天线(TEM喇叭)属于辐射球面横电磁波的天线,具有与频率无关的特性阻抗,是一种典型的超宽带天线,可以实现定向辐射的TEM波,是高功率电磁脉冲主要的辐射器。因此得到了包括冲击场检测、核电磁脉冲模拟、超宽带雷达脉冲辐射、高功率阵列辐射[1]等方面广泛应用。

渐近线喇叭天线是电磁脉冲模拟器的重要组成部分,不仅要具有良好的阻抗和辐射特性,还要能够承受极大的瞬时功率。给出了一个工作频率为50～500 MHz,承受瞬时功率可达1 GW的渐近线喇叭天线实例,详细描述了天线的设计思路以及实现方法,并给出了测试结果。

1 总体设计

渐近线喇叭天线一般由3部分组成,分别为脉冲传输线、馈电结构和阻抗变换结构。传输线将高能脉冲信号传输到馈电结构,经阻抗变换结构将电磁能量辐射出去。高能脉冲的上升沿脉宽为8 ns,频率分量主要为50～500 MHz,最高电压设计为250 kV。

1.1 传输线设计

由于脉冲信号在平板结构传输中,辐射损失较大,因此对于瞬态脉冲信号的传输一般采用同轴结构[2]。渐近线喇叭天线采用平行板馈电,发射机和平行板之间采用同轴线连接。由于天线需承受瞬时脉冲功率极大,因此所用的同轴线需要特殊制造。式(1)给出了同轴线物理尺寸与承受功率的关系。式中,a、b分别为同轴线的内外导体的半径,Ebr为填充介质的击穿场强。由于空气击穿电压较小,为减小同轴线物理尺寸,导体间填充了高耐压介质变压器油。

为保证内外导体的同轴度,导体间采用聚四氟乙烯进行支撑,同时,为使耐压介质填充充分,避免留下空气腔导致局部击穿场强下降,在聚四氟乙烯支撑上预留多个孔洞,如图1所示。

图1 支撑垫示意图

聚四氟乙烯的介电强度国家标准大于27.5 kV/mm,纯净变压器油的介电强度大于24 kV/mm,根据变压器油的介电强度进行分析,同时考虑加工安装方便,设计同轴线的内径a为13.5 mm,外径 b为45 mm。设计传输线耐压值为378 kV,可以满足最大脉冲功率时线间电压为250 kV的要求,并且有50%以上的裕度。

1.2 馈电结构设计

馈电结构的作用是从同轴传输线结构到平板辐射段结构过渡,一般可采用2种方式。一种为直接点连接式,直接将同轴结构的内芯与渐近线喇叭天线的一块极板相连,同轴结构的外壁与渐近线喇叭天线的地平板相连。另一种为渐变式,同轴结构的内芯由圆柱逐渐过渡到渐近线喇叭极板,同轴结构的外壁逐渐过渡到渐近线喇叭地平板。

第1种方式的优点是过渡结构紧凑,对于中小功率的瞬态脉冲的辐射较为合适,这是一种对称结构的连接方式,馈电结构对喇叭的方向图不会造成影响。随着瞬态脉冲峰值功率的提高,同轴结构尺寸的增大,应用渐变式方法更为合适,但渐变方式需要在同轴线的外壁上开口,使同轴线的内芯和外壁渐变,喇叭辐射方向图在开口方向有明显的旁瓣,造成了能量的损失[2]。

由于设计脉冲功率为1 GW,选择直接点连接式馈电设计可以满足功率要求,并且有较好的辐射特性。同轴线的内芯与渐近线喇叭的极板连接,同轴线的外壁与喇叭的地平板相连。并对点连接式结构的内芯连接部分进行改进,修改为锥形连接,如图2所示。锥形连接既可使阻抗连续,又避免了尖角连接处的尖端放电造成的喇叭在高压下的击穿现象。

1.3 阻抗变换结构设计

渐近线喇叭天线的阻抗变换结构为2片平行导体板,图2为渐近线喇叭天线的示意图。一般可以采用直线张开的平板结构或指数张开的平板结构,直线张开的平板结构加工容易,指数张开的平板结构阻抗匹配较好,可减小传输损耗,但加工困难。为了实现宽频带的优良匹配,采用了指数张开的平板结构,平板间距曲线为：

式中,C1,C2为由入口间距和出口间距确定的常数。

为了实现阻抗的最佳连续变化,选择阻抗变化曲线为喇叭长度的函数：

式中,k由喇叭的长度决定;Z0为输入同轴线特征阻抗50 Ω;η为渐近线喇叭出口的特征阻抗,即自由空间阻抗377 Ω;采用指数曲线的阻抗变化,能够实现良好的阻抗匹配。

平板的特征阻抗由平板宽度与间距共同决定：

由式(2)～式(5)可以得到喇叭的参数。其中平行板的阻抗为[4]：

由于天线瞬时承受的瞬时功率极大,馈线和天线平行板间也可能造成击穿,因此将天线在d小于300 mm的前端部分浸入耐压介质。

为了和自由空间更好地匹配,将传统的渐近线喇叭进行改进,在喇叭出口的2个平板分别增加了3根辐射臂,辐射臂方向与平板出口相切,如图2所示。这种结构可以对低频的驻波特性进行更好的匹配,减小了喇叭的体积,减轻了重量,加工方便,作为初级辐射器照射天线反射面时造成的遮挡小,提高了天线的利用效率。

图2 渐近线喇叭示意图

2 仿真计算与测试结果分析

2.1 仿真计算

依据理论计算结果,在Ansoft HFSS中建立渐近线喇叭的有限元模型,对其进行了仿真计算,比较了渐近线喇叭平板结构和平板增加辐射臂2种结构的电压驻波比特性,仿真结果如图3所示。可以看出,在不加辐射臂的情况下,频率小于100 MHz时,电压驻波比大于6.0,对应的电压反射系数为0.71,渐近线喇叭不可用。增加辐射臂后,在频率50 MHz～100 MHz之间喇叭电压驻波比小于2.5,高频段的驻波特性基本不变,低频段喇叭和自由空间得到了良好的匹配。此外,对加臂和不加臂时渐近线喇叭辐射特性进行了仿真分析和比较。如表1所示,由于改善了驻波,增大了天线的电尺寸,辐射臂明显提高了天线在低频段的增益,这一效应在50 MHz时尤为明显。在100～300 MHZ范围内,天线增益提高了2 dB以上;在高频段,由于辐射臂间距大于半波长,辐射臂不能等效与平板结构,2种情况下喇叭增益基本相当。图4为渐近线喇叭方向图。

图3 渐近线喇叭电压驻波比

表1 渐近线喇叭增益仿真结果

图4 渐近线喇叭方向图

增加辐射臂的喇叭在频率150 MHz时,仿真方向图如图4所示,其仿真增益为6.2 dBi,满足设计要求。天线H面方向图对称性良好,由于输入传输线的存在,天线E面方向图略有不对称。

根据计算结果进行仿真优化,最终确定喇叭参数如下：入口宽度：w=80 mm,板间距：d=22 mm;出口宽度：W=730 mm,板间距：D=600 mm;喇叭长度：L=500 mm,辐射臂直径：30 mm。

2.2 测试结果分析

图3也给出了实际加工的渐近线喇叭天线电压驻波比测试结果,由图中可以看出,在整个工作频带内喇叭电压驻波比小于3.0,50～100 MHz喇叭电压驻波比小于2.5。仿真与实测结果吻合良好。

3 结束语

对于渐近线喇叭天线的理论分析已经较为成熟,但在高功率环境应用中仍然有许多具体问题需要解决。在详细描述天线工作原理及设计方法的同时,针对瞬时超高功率应用要求,对天线各个部分所采取的耐功率措施进行了详细描述。天线的电性能仿真和测试结果吻和良好,实用结果表明,各种措施切实有效。在不影响天线性能的前提下,很好地解决了耐功率问题,在理论、设计和实践上都具有一定的参考意义。

[1]BENFORD JAMES,SWEGLE JOHN A.高功率微波[M].江伟华,张弛 译.北京：国防工业出版社,2009：166-167.

[2]廖勇,马弘舸,杨周炳.超宽带天线中同轴到平板过渡研究[J].强激光与粒子束,2005,17(5)：741-745.

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