一種高能脈沖天線設計分析

劉興隆,伍 洋

(中國電子科技集團公司第五十四研究所,河北石家莊050081)

0 引言

漸近線喇叭天線(TEM喇叭)屬于輻射球面橫電磁波的天線,具有與頻率無關的特性阻抗,是一種典型的超寬帶天線,可以實現定向輻射的TEM波,是高功率電磁脈沖主要的輻射器。因此得到了包括沖擊場檢測、核電磁脈沖模擬、超寬帶雷達脈沖輻射、高功率陣列輻射[1]等方面廣泛應用。

漸近線喇叭天線是電磁脈沖模擬器的重要組成部分,不僅要具有良好的阻抗和輻射特性,還要能夠承受極大的瞬時功率。給出了一個工作頻率為50～500 MHz,承受瞬時功率可達1 GW的漸近線喇叭天線實例,詳細描述了天線的設計思路以及實現方法,并給出了測試結果。

1 總體設計

漸近線喇叭天線一般由3部分組成,分別為脈沖傳輸線、饋電結構和阻抗變換結構。傳輸線將高能脈沖信號傳輸到饋電結構,經阻抗變換結構將電磁能量輻射出去。高能脈沖的上升沿脈寬為8 ns,頻率分量主要為50～500 MHz,最高電壓設計為250 kV。

1.1 傳輸線設計

由于脈沖信號在平板結構傳輸中,輻射損失較大,因此對于瞬態脈沖信號的傳輸一般采用同軸結構[2]。漸近線喇叭天線采用平行板饋電,發射機和平行板之間采用同軸線連接。由于天線需承受瞬時脈沖功率極大,因此所用的同軸線需要特殊制造。式(1)給出了同軸線物理尺寸與承受功率的關系。式中,a、b分別為同軸線的內外導體的半徑,Ebr為填充介質的擊穿場強。由于空氣擊穿電壓較小,為減小同軸線物理尺寸,導體間填充了高耐壓介質變壓器油。

為保證內外導體的同軸度,導體間采用聚四氟乙烯進行支撐,同時,為使耐壓介質填充充分,避免留下空氣腔導致局部擊穿場強下降,在聚四氟乙烯支撐上預留多個孔洞,如圖1所示。

圖1 支撐墊示意圖

聚四氟乙烯的介電強度國家標準大于27.5 kV/mm,純凈變壓器油的介電強度大于24 kV/mm,根據變壓器油的介電強度進行分析,同時考慮加工安裝方便,設計同軸線的內徑a為13.5 mm,外徑 b為45 mm。設計傳輸線耐壓值為378 kV,可以滿足最大脈沖功率時線間電壓為250 kV的要求,并且有50%以上的裕度。

1.2 饋電結構設計

饋電結構的作用是從同軸傳輸線結構到平板輻射段結構過渡,一般可采用2種方式。一種為直接點連接式,直接將同軸結構的內芯與漸近線喇叭天線的一塊極板相連,同軸結構的外壁與漸近線喇叭天線的地平板相連。另一種為漸變式,同軸結構的內芯由圓柱逐漸過渡到漸近線喇叭極板,同軸結構的外壁逐漸過渡到漸近線喇叭地平板。

第1種方式的優點是過渡結構緊湊,對于中小功率的瞬態脈沖的輻射較為合適,這是一種對稱結構的連接方式,饋電結構對喇叭的方向圖不會造成影響。隨著瞬態脈沖峰值功率的提高,同軸結構尺寸的增大,應用漸變式方法更為合適,但漸變方式需要在同軸線的外壁上開口,使同軸線的內芯和外壁漸變,喇叭輻射方向圖在開口方向有明顯的旁瓣,造成了能量的損失[2]。

由于設計脈沖功率為1 GW,選擇直接點連接式饋電設計可以滿足功率要求,并且有較好的輻射特性。同軸線的內芯與漸近線喇叭的極板連接,同軸線的外壁與喇叭的地平板相連。并對點連接式結構的內芯連接部分進行改進,修改為錐形連接,如圖2所示。錐形連接既可使阻抗連續,又避免了尖角連接處的尖端放電造成的喇叭在高壓下的擊穿現象。

1.3 阻抗變換結構設計

漸近線喇叭天線的阻抗變換結構為2片平行導體板,圖2為漸近線喇叭天線的示意圖。一般可以采用直線張開的平板結構或指數張開的平板結構,直線張開的平板結構加工容易,指數張開的平板結構阻抗匹配較好,可減小傳輸損耗,但加工困難。為了實現寬頻帶的優良匹配,采用了指數張開的平板結構,平板間距曲線為：

式中,C1,C2為由入口間距和出口間距確定的常數。

為了實現阻抗的最佳連續變化,選擇阻抗變化曲線為喇叭長度的函數：

式中,k由喇叭的長度決定;Z0為輸入同軸線特征阻抗50 Ω;η為漸近線喇叭出口的特征阻抗,即自由空間阻抗377 Ω;采用指數曲線的阻抗變化,能夠實現良好的阻抗匹配。

平板的特征阻抗由平板寬度與間距共同決定：

由式(2)～式(5)可以得到喇叭的參數。其中平行板的阻抗為[4]：

由于天線瞬時承受的瞬時功率極大,饋線和天線平行板間也可能造成擊穿,因此將天線在d小于300 mm的前端部分浸入耐壓介質。

為了和自由空間更好地匹配,將傳統的漸近線喇叭進行改進,在喇叭出口的2個平板分別增加了3根輻射臂,輻射臂方向與平板出口相切,如圖2所示。這種結構可以對低頻的駐波特性進行更好的匹配,減小了喇叭的體積,減輕了重量,加工方便,作為初級輻射器照射天線反射面時造成的遮擋小,提高了天線的利用效率。

圖2 漸近線喇叭示意圖

2 仿真計算與測試結果分析

2.1 仿真計算

依據理論計算結果,在Ansoft HFSS中建立漸近線喇叭的有限元模型,對其進行了仿真計算,比較了漸近線喇叭平板結構和平板增加輻射臂2種結構的電壓駐波比特性,仿真結果如圖3所示。可以看出,在不加輻射臂的情況下,頻率小于100 MHz時,電壓駐波比大于6.0,對應的電壓反射系數為0.71,漸近線喇叭不可用。增加輻射臂后,在頻率50 MHz～100 MHz之間喇叭電壓駐波比小于2.5,高頻段的駐波特性基本不變,低頻段喇叭和自由空間得到了良好的匹配。此外,對加臂和不加臂時漸近線喇叭輻射特性進行了仿真分析和比較。如表1所示,由于改善了駐波,增大了天線的電尺寸,輻射臂明顯提高了天線在低頻段的增益,這一效應在50 MHz時尤為明顯。在100～300 MHZ范圍內,天線增益提高了2 dB以上;在高頻段,由于輻射臂間距大于半波長,輻射臂不能等效與平板結構,2種情況下喇叭增益基本相當。圖4為漸近線喇叭方向圖。

圖3 漸近線喇叭電壓駐波比

表1 漸近線喇叭增益仿真結果

圖4 漸近線喇叭方向圖

增加輻射臂的喇叭在頻率150 MHz時,仿真方向圖如圖4所示,其仿真增益為6.2 dBi,滿足設計要求。天線H面方向圖對稱性良好,由于輸入傳輸線的存在,天線E面方向圖略有不對稱。

根據計算結果進行仿真優化,最終確定喇叭參數如下：入口寬度：w=80 mm,板間距：d=22 mm;出口寬度：W=730 mm,板間距：D=600 mm;喇叭長度：L=500 mm,輻射臂直徑：30 mm。

2.2 測試結果分析

圖3也給出了實際加工的漸近線喇叭天線電壓駐波比測試結果,由圖中可以看出,在整個工作頻帶內喇叭電壓駐波比小于3.0,50～100 MHz喇叭電壓駐波比小于2.5。仿真與實測結果吻合良好。

3 結束語

對于漸近線喇叭天線的理論分析已經較為成熟,但在高功率環境應用中仍然有許多具體問題需要解決。在詳細描述天線工作原理及設計方法的同時,針對瞬時超高功率應用要求,對天線各個部分所采取的耐功率措施進行了詳細描述。天線的電性能仿真和測試結果吻和良好,實用結果表明,各種措施切實有效。在不影響天線性能的前提下,很好地解決了耐功率問題,在理論、設計和實踐上都具有一定的參考意義。

[1]BENFORD JAMES,SWEGLE JOHN A.高功率微波[M].江偉華,張弛 譯.北京：國防工業出版社,2009：166-167.

[2]廖勇,馬弘舸,楊周炳.超寬帶天線中同軸到平板過渡研究[J].強激光與粒子束,2005,17(5)：741-745.

[3]劉立業,粟毅,毛鈞杰.一種超寬帶天線的輻射特性分析[J].無線電工程,2005,35(7)：42-43.

[4]DUNCAN J W,MINER VA V P.100：1 bandwidth balun transformer[J].Proc of the Institute of Radio Engineers,1960(48)：156-164.

[5]KYUNGHO Chung,SUNGHO Pyun,JAEHOON Choi：Design of anUltrawide-BandTEM HornAntenna With a Microstrip-Type Balun[J].IEEE Trans.AP,2005,53(10)：3410-3413.

[6]ALLEN O E,HILL D A.Time-domain antenna characterizations[J].IEEE Trans.EMC,1993,35(3)：339-346.