CN102891364B - 一种超宽谱后馈冲击脉冲反射面天线系统 - Google Patents

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本发明公开了一种超宽谱后馈冲击脉冲反射面天线系统，包括由平衡变换器、指数TEM喇叭、副反射板和抛物面构成，本发明的平衡变换器一端接脉冲源的同轴馈线，一端与TEM喇叭组合馈源相连接。平衡变换器完成不对称的同轴馈线到对称指数TEM喇叭的馈电，以保持天馈系统的平衡性；同时平衡变换器兼有阻抗变换的作用。通过对指数TEM喇叭极板高度和宽度的渐变，相应增加了极板长度，改善了喇叭的低频和高频特性，抑制了喇叭中TE、TM模的产生；副反射板与指数TEM喇叭一起，将喇叭的前向辐射转为后向辐射；通过优化设计超宽谱后馈冲击脉冲反射面天线各部分结构参数，可得到天线最大辐射增益。

Description

一种超宽谱后馈冲击脉冲反射面天线系统
技术领域
本发明属于微波电子学领域，具体涉及一种超宽谱后馈冲击脉冲反射面天线系统。
背景技术
在超宽谱冲击脉冲反射面天线设计中，由于源信号低频成份较多，馈源喇叭方向图主瓣较宽，因此一般采用前馈反射面天线方式。前馈反射面天线设计中，一般馈线较长，馈线损耗较大，并且在工程上不利于实现天线的方位旋转和俯仰。
馈源TEM喇叭与高功率脉冲同轴传输线之间的平衡变换器的设计，常用的有两种方式，其一是点接触式，直接将同轴结构的内芯与TEM喇叭天线的极板相联，尽可能缩小馈点尺寸和同轴内芯末端尺寸，同轴结构的外筒与TEM喇叭的地平板相连；其二是渐变式，同轴结构外筒逐渐开口过渡到TEM喇叭地平板，同轴内芯由圆柱逐渐过渡到TEM喇叭平面极板。第一种方式的优点是过渡结构较为紧凑，对于功率较小的瞬态脉冲辐射较为合适，但随着脉冲源功率的提高，同轴传输线结构尺寸的增大，平板结构尺寸也相应增大，从而引入了高次模，降低了传输效率。
已有很多国内外资料研究过指数TEM喇叭的优点，一般观点认为：指数天线是改进型TEM喇叭天线，标准的TEM喇叭天线是恒阻抗天线，在辐射瞬态脉冲时，脉冲在喇叭极板末端因与空气特性阻抗不匹配产生反射；而指数天线是一种变阻抗喇叭天线，其喇叭馈入端和末端分别与脉冲功率源输出阻抗以及空气特性阻抗377Ω相匹配，这样天线的辐射波形畸变较小，反射也较小。
有文献研究表明：指数TEM喇叭能大大缩减喇叭尺寸，改善喇叭的辐射特性，因为在相同的喇叭长度下，指数TEM喇叭弯曲的极板，相应增加了极板长度，改善了喇叭的低频和高频特性；指数TEM喇叭可抑制TE、TM模的产生。根据平板传输线原理，平板传输线的主模是准TEM波，当平板宽度较大时，将激励起TE模；当平板间距较大时，将激励起TM模。无论是TE或TM模，对喇叭的辐射均是有害的。
数值模拟和实验结果表明，指数TEM喇叭辐射特性的改善主要归功于沿喇叭高度方向的极板高度指数变化，对TEM喇叭宽度方向的指数变化对喇叭轴上辐射场的幅度影响不大，但影响喇叭的H面方向图。
发明内容
为了克服上述超宽谱前馈冲击脉冲反射面辐射天线馈线损耗大、不利于实现方位旋转和俯仰的问题，本发明提供一种超宽谱后馈冲击脉冲反射面天线系统，能够实现由从抛物面锅底馈入脉冲信号，馈线长度较短、整个系统结构紧凑。
超宽谱后馈冲击脉冲反射面天线由平衡变换器、指数TEM喇叭、副反射板以及抛物面构成。馈线同轴结构经平衡变换器与TEM喇叭组合馈源相联。同轴馈线从抛物面锅底穿出。
本发明的一种超宽谱后馈冲击脉冲反射面天线系统，其特点是，所述的天线系统包括抛物面、平衡变换器、指数TEM喇叭、副反射板；来自同轴传输线的超宽谱脉冲信号经平衡变换器、指数TEM喇叭照射到副反射板上，再经副反射板的反射最后照射到抛物面上，从而实现超宽谱信号后馈式辐射；超宽谱脉冲信号由平衡变换器实现超宽谱信号由非平衡的同轴TEM模式到平衡的平板TEM模式的变换，同时实现同轴结构阻抗到平板结构阻抗的匹配；其中，平衡变换器采用渐变式结构，同轴结构外导体纵向切口，切口张角随长度按线性规律从0度变换到180度；指数TEM喇叭极板的高度和宽度按照公式（1）所示规律变化：
       （1）
其中H f  和W f 分别表示指数TEM喇叭馈入口的高度和宽度，H f 和W f 分别表示指数TEM喇叭口径面的高度和宽度，指数TEM喇叭长度沿Z轴方向。
所述的平衡变换器长度为450mm,指数TEM喇叭长度为125mm,高度为175mm、宽度为150mm、副反射板与喇叭口面之间的距离为100mm,副反射面的尺寸为抛物面口径的1/7。
所述的抛物面焦径比为0.4,抛物面焦距与TEM喇叭相心关于副反射面对称。
平衡变换器完成不对称的同轴馈线到对称TEM喇叭馈源的馈电，以保持天馈系统的平衡性；同时平衡变换器兼有阻抗变换的作用，实现同轴馈线到指数TEM喇叭平板结构的阻抗变换。本系统的平衡变换器是超宽谱平衡变换器，其特点是阻抗变换是沿长度连续变化的。其结构特点是在同轴线外导体上开切口，切口的张角按特定的规律变化，同轴结构外筒逐渐张开过渡到指数TEM喇叭地平板，同轴内芯由圆柱沿特定曲线逐渐过渡到指数TEM喇叭高压极板。
本发明的超宽谱后馈冲击脉冲辐射天线的工作原理是：高压脉冲信号由同轴馈线加到平衡变换器，由平衡变换器实现同轴馈线到TEM喇叭天线的馈电平衡和阻抗渐变；平衡变换器输出的脉冲信号加到指数TEM喇叭，指数TEM喇叭照射副反射板实现天线的后馈式辐射。由副反射板反射的冲击脉冲信号照射到抛物面上，实现冲击脉冲的高增益辐射。
通过对喇叭极板高度和宽度的指数渐变，相应增加了极板长度，改善了喇叭的低频和高频特性，抑制了喇叭中TE、TM模的产生；副反射板将喇叭的前向辐射转为后向辐射；通过优化设计天线系统各部分结构参数，可得到最大的辐射增益。
附图说明
图1为本发明的超宽谱后馈冲击脉冲反射面天线系统结构示意图；
图2为本发明中的平衡变换器结构示意图；
图3为本发明中的指数TEM喇叭结构示意图；
图4为本发明中的两个平衡变换器对接时的电压传输效率曲线；
图5 为本发明中的超宽谱后馈天线系统与超宽谱前馈天线系统的S11参数对比；
图6 为本发明中的超宽谱后馈天线系统与超宽谱前馈天线系统在馈入1ns脉宽的高斯脉冲信号下辐射场波形的对比；
图7为本发明中的超宽谱后馈天线系统与超宽谱前馈天线系统在馈入1ns脉宽的高斯脉冲信号下辐射场频谱曲线的对比；
图中，1.抛物面    2.平衡变换器     3.指数TEM喇叭     4.副反射板。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进一步说明。
图1为本发明的超宽谱后馈冲击脉冲反射面天线系统结构示意图，图2是本发明中的平衡变换器结构示意图，图3是本发明中的指数TEM喇叭结构示意图。
在图1中，本发明的超宽谱后馈冲击脉冲反射面天线系统包括：抛物面1、平衡变换器2、指数TEM喇叭3、副反射板4。其连接方式是，平衡变换器的同轴段部分与脉冲功率源的同轴馈线相连接;平板部分与指数TEM喇叭的馈入端相连接;副反射板安装在距指数TEM喇叭口面一定距离的位置上；指数TEM喇叭安装在距抛物面焦点相对距离固定的位置上，在实际应用中批数TEM喇叭和副反射板将由支撑杆支撑在抛物面上。
同轴线外导体上开切口，切口的张角逐渐张开过渡到指数TEM喇叭地平板；同轴内芯由圆柱逐渐过渡到指数TEM喇叭高压极板。
本发明的一种超宽谱后馈冲击脉冲反射面天线系统，其特点是，所述的天线系统包括抛物面1、平衡变换器2、指数TEM喇叭3、副反射板4；来自同轴传输线的超宽谱脉冲信号经平衡变换器2、指数TEM喇叭3照射到副反射板4上，再经副反射板4的反射最后照射到抛物面1上，从而实现超宽谱信号后馈式辐射；超宽谱脉冲信号由平衡变换器实现超宽谱信号由非平衡的同轴TEM模式到平衡的平板TEM模式的变换，同时实现同轴结构阻抗到平板结构阻抗的匹配；其中，平衡变换器采用渐变式结构，同轴结构外导体纵向切口，切口张角随长度按线性规律从0度变换到180度；指数TEM喇叭极板的高度和宽度按照公式1所示规律变化：
       （1）
其中H f  和W f 分别表示指数TEM喇叭馈入口的高度和宽度，H f 和W f 分别表示指数TEM喇叭口径面的高度和宽度，指数TEM喇叭长度沿Z轴方向。
所述的平衡变换器长度为450mm,指数TEM喇叭长度为125mm,高度为175mm、宽度为150mm、副反射板与喇叭口面之间的距离为100mm,副反射面的尺寸为抛物面口径的1/7。
所述的抛物面焦径比为0.4,抛物面焦距与TEM喇叭相心关于副反射面对称。
指数TEM喇叭的极板的宽度和高度沿长度方向按指数函数渐变。
副反射板将喇叭的前馈辐射转换成后馈辐射。由于副反射板位于指数TEM喇叭辐射的感应区，其将前馈辐射转换成后馈辐射的机理是电磁场在副反射板上感应出的电流形成了新的辐射中心。因此不能将副反射板与馈源喇叭之间的关系与传统双反射面天线中副反射面与馈源喇叭之间的关系等同。在实际应用中，副反射板与指数TEM喇叭作为一个整体与抛物面天线配合。
图4是将两相同平衡变换器对接后，数值模拟计算得到的S21传输参数，在DC～1.84GHz传输效率大于88%，而对于相同尺寸同轴结构，如采用点接触式平衡变换器,则传输效率在相同带宽内小于76%。由此可见，对于尺寸较大的同轴馈线，渐变式平衡变换器比点接触式的传输效率要高一些。
图5是超宽谱后馈冲击脉冲反射面天线系统S11参数曲线（圆点线）与超宽谱前馈冲击脉冲反射面天线系统S11曲线（三角形线）的对比，在300MHz～700MHz带宽内，后馈天线系统的S11参数要小一些。
图6是超宽谱后馈冲击脉冲反射面天线系统轴上辐射场（图6（a））与超宽谱前馈冲击脉冲反射面天线系统轴上辐射场（图6（b））的对比，在馈入1ns脉宽的单极脉冲信号下，超宽谱后馈冲击脉冲反射面天线系统轴上辐射场脉冲峰峰值是超宽谱前馈冲击脉冲反射面天线系统的1.22倍。
图7是超宽谱后馈冲击脉冲反射面天线系统轴上辐射场频谱曲线（虚线）与超宽谱前馈冲击脉冲反射面天线系统轴上辐射场频谱曲线（实线）对比，超宽谱后馈冲击脉冲反射面天线系统的频谱曲线在160MHz～660MHz比超宽谱前馈冲击脉冲反射面天线系统有明显改善。

Claims (1)

1.一种超宽谱后馈冲击脉冲反射面天线系统，其特征在于：所述的天线系统包括抛物面(1)、平衡变换器(2)、指数TEM喇叭(3)、副反射板（4）；来自同轴传输线的超宽谱脉冲信号经平衡变换器（2）、指数TEM喇叭（3）照射到副反射板（4）上，再经副反射板（4）的反射最后照射到抛物面（1）上，从而实现超宽谱信号后馈式辐射；超宽谱脉冲信号由平衡变换器实现超宽谱信号由非平衡的同轴TEM模式到平衡的平板TEM模式的变换，同时实现同轴结构阻抗到平板结构阻抗的匹配；其中，平衡变换器采用渐变式结构，同轴结构外导体纵向切口，切口张角随长度按线性规律从0度变换到180度；指数TEM喇叭极板的高度和宽度按照公式（1）所示规律变化：
      （1）
其中H f  和W f 分别表示指数TEM喇叭馈入口的高度和宽度，H a 和W a 分别表示指数TEM喇叭口径面的高度和宽度，指数TEM喇叭长度L沿Z轴方向；
所述的副反射板与指数TEM喇叭作为一个整体与抛物面配合；副反射板位于指数TEM喇叭辐射的感应区，电磁场在副反射板上感应出的电流形成了新的辐射中心；平衡变换器长度为450mm,指数TEM喇叭长度为125mm,高度为175mm、宽度为150mm、副反射板与喇叭口面之间的距离为100mm,副反射面的尺寸为抛物面口径的1/7；所述的抛物面焦径比为0.4,抛物面焦距与指数TEM喇叭相心关于副反射板对称。
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