CN104112899B - 一种高功率盘锥天线 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高功率盘锥天线，在两个锥形振子之间设有盘形结构，放电电极在盘形结构的中心，并与盘形结构紧密配合；所述两个放电电极相对的部位为半球面结构。本发明的高功率盘锥天线通过天线自身激励端的高压气体开关结构来锐化输入电压脉冲，锐化后的电压脉冲激励盘锥天线工作，向外辐射高功率电磁脉冲。本高功率宽谱盘锥天线集锐化脉冲和强化辐射能量的双重作用于一身，辐射性能优异，且在高功率宽谱系统设计中节省了锐化开关的设计空间。天线具有使用方便，安全，试验成本低，调试简单等优点。实际可应用于各种高功率电磁脉冲研究等领域，作为系统的电磁脉冲辐射器使用。

Description

一种高功率盘锥天线

技术领域

本发明属于高功率电磁脉冲辐射装置，具体涉及一种高功率盘锥天线，

背景技术

在高功率电磁脉冲技术中，由于脉冲源技术条件限制，从而导致输入电压脉冲上升沿不够陡峭、能量偏低频分布，因此不适合直接激励天线进行工作。一般而言，经脉冲源产生的电压脉冲，均需要经过一级或者多级锐化开关进行上升沿锐化后，才可激励天线工作，从而达到满足设计要求的辐射因子。另外，高功率电磁脉冲辐射系统由于结构复杂，电压脉冲在激励天线之前往往需要经过锐化等环节，因而预留给辐射天线的设计空间较小。所以，高功率电磁脉冲辐射系统要求天线必须具有辐射因子强、结构紧凑的特点。

目前，国内对高功率锥形天线研究虽然较多，但是在技术应用的领域仍存在以下几点不足：

1、辐射效率问题。目前广泛应用高功率技术的锥形天线，虽然电压脉冲信号在激励天线之前经过了锐化开关锐化，但仍由于锥形天线自身的辐射特性导致辐射因子偏低，辐射效率不高。

2、体积问题。锥形天线虽然结构简单紧凑，但实际中脉冲信号激励天线之前必须单独设计锐化开关来陡化脉冲前沿、保证辐射效率，从而增大了系统设计体积，不利于系统总体的小型化。

3、调试控制因素过多的问题。如果锐化开关与辐射天线作为两个独立部件分开设计，则必然增加了系统的复杂度。在实际调试过程中，复杂度的增大不仅会影响高功率宽谱电磁脉冲系统的稳定性，而且会导致调试过程中影响因素过多，不利于调试的进行。

发明内容

要解决的技术问题

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种高功率盘锥天线，解决目前广泛应用的高功率锥形天线的辐射效率低、调试难度大且与开关独立设计的体积较大等问题。

技术方案

一种高功率盘锥天线，包括两个锥形振子、放电开关；其特征在于：还包括盘形结构；盘形结构位于锥形振子的锥部，放电电极在盘形结构的中心，并与盘形结构紧密配合；所述放电电极开关为平面-倒圆结构。

所述盘形结构的尺寸满足r≤R≤1.5L，其中：L为锥形振子边长的长度，r为锥形振子顶端的半径，R为盘形结构半径。

所述放电电极通过螺纹结构与盘形结构紧密配合。

所述两个放电电极之间的间距通过螺纹结构调整。

有益效果

本发明提出的一种高功率盘锥天线，在两个锥形振子之间设有盘形结构，放电电极在盘形结构的中心，并与盘形结构紧密配合；所述放电电极开关为平面-倒圆结构。本发明的高功率盘锥天线通过天线自身激励端的高压气体开关结构来锐化输入电压脉冲，锐化后的电压脉冲激励盘锥天线工作，向外辐射高功率电磁脉冲。

本发明与普通高功率锥形天线相比，具有如下特点：

1、采用盘形结构来增加天线的辐射能力。通过设计尺寸合适的盘形结构，加载于天线激励端附近。与普通锥形天线相比，该新型盘锥天线工作时具有更多的初始电荷，因而在相同设计尺寸和相同激励下，该天线的辐射性能要明显高于普通锥形天线。

2、采用锐化开关与天线的一体化设计。把天线激励端直接设计成锐化电极形式，通过合理的结构设计，使该天线集锐化脉冲和辐射能量的双重作用于一身，从而减小高功率宽谱系统的设计尺寸。

3、减小了调试难度。由于高功率宽谱系统自身结构的复杂性，任何因素比如开关与天线之间连接线的形式和尺寸等微小因素，都会影响最终系统的调试。通过把开关与天线的集成设计，减少了调试时的影响因素，从而减小了调试难度。

附图说明

图1是天线剖面图

图2是电极结构图

图3是现有技术的锥形天线剖面图

图4是激励信号波形图

图5为远场波形对比图

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

本发明实施例的技术方案是：高功率宽谱盘锥天线是由放电开关、盘形结构和锥形振子三者共同组成，如图1。其中标号1为锥形振子，用网格状阴影标识；标号2为盘形结构，用右斜线阴影标识；黑色粗线圈注部分为放电开关，由两个具有一定间隙的放电电极组成，电极结构如图2。放电电极通过螺纹结构与盘形结构紧密配合，从而使电极紧贴盘形结构，配合后效果如图1。工作中，首先，电压脉冲输出达到一定幅值，使开关电极导通；与此同时，被高气压密封的电极可以在一定程度上锐化输出脉冲，而后该脉冲激励天线工作。

盘形结构如图1中标识2，呈圆盘状，作用主要是配合锥形振子，增加工作频带内的辐射特性。锥形振子的边长长度为L，顶端半径为r，具体尺寸需根据锥形天线基本设计方法和实际工作频率来确定。对于盘形结构，半径R的初始应取R＝L，而后经优化，根据辐射波形，于r≤R≤1.5L的范围内选取最优值。另外，由于激励脉冲电压很高，达到上百千伏，因此盘形结构和锥形振子的边缘处均采用圆弧平滑过渡，从而减小边缘部电场。实际加工中，为了减小天线质量，可以选择密度较轻的金属材料来进行加工。

放电开关的主要作用是锐化输入电压脉冲的前沿，结构如图2所示。由于通过气体开关的电荷量很大，对电极的烧蚀很严重，且一般的半球面式电极通道电感较大，不利于脉冲的陡化，因此不能满足要求。所以气体开关采用平面——倒圆的结构，图2为其结构图。电极两端采用圆形光滑过度以减弱局部场强。该开关与盘形结构、锥形振子组成一个天线整体，密封于高压N₂绝缘气体中。根据高压N₂静态击穿公式：U_b＝2.44pd+(pd)^1/2,在耐压为185KV，高压N₂气压为15bar的要求下，初步求得电极间距约为4mm。由于高压气体放电是一个随机过程，符合统计概率分布，目前尚未有精确公式计算，所以电极间距需在试验中根据具体情况来调整，从而达到最优。实际加工中，电极与盘形结构的连接处设计为螺纹结构，即可方便调整电极间隙。

仿真时，使用相同电压信号激励相同尺寸的普通锥形天线和新型盘锥天线。普通锥形天线结构如图3，激励信号波形如图4。在远程相同位置设置探针，远场波形对比如图5。在10米处，从幅值来看，普通锥形天线幅值为3.3KV/m，而新兴盘锥天线达到了6.8KV/m；从脉冲信号持续时间来看，普通锥形天线约为20ns左右，而新型盘锥天线大于70ns。显而易见，相同尺寸的新型盘锥天线的辐射性能明显大于普通锥形天线。

本天线工作时，电压脉冲输出的高低电压端分别连接天线两端，当脉冲达到一定电压使锐化开关自导通；与此同时，开关周围充满了压缩的氮气，并处于可确保击穿的较大气体压力下。由于开关电极具有较小的放电间隙，同时具备高的击穿电压，因此该电压脉冲经过高气压放电开关得到了锐化前沿的效果。该锐化后的脉冲激励天线工作，从而对指定区域辐射强电磁脉冲。

本高功率宽谱盘锥天线集锐化脉冲和强化辐射能量的双重作用于一身，辐射性能优异，且在高功率宽谱系统设计中节省了锐化开关的设计空间。天线具有使用方便，安全，试验成本低，调试简单等优点。实际可应用于各种高功率电磁脉冲研究等领域，作为系统的电磁脉冲辐射器使用。

Claims (1)

1.一种高功率盘锥天线，包括两个锥形振子、放电开关；其特征在于：还包括盘形结构；盘形结构位于锥形振子的锥部，放电电极在盘形结构的中心，并与盘形结构紧密配合；所述两个放电电极开关为平面-倒圆结构；

所述盘形结构的尺寸满足r≤R≤1.5L，其中：L为锥形振子边长的长度，r为锥形振子顶端的半径，R为盘形结构半径；

所述放电电极通过螺纹结构与盘形结构紧密配合；

所述两个放电电极之间的间距通过螺纹结构调整。