CN110767991B - 一种透镜型超宽谱电磁脉冲辐射天线和天线阵列 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种透镜型超宽谱电磁脉冲辐射天线和天线阵列，该结构简单并且可有效提高TEM喇叭天线主轴辐射场强。该天线包括上极板和下极板，上极板和下极板构成一阻抗渐变的TEM喇叭形式，还包括外壳、透镜以及电缆头；外壳包括底板、上侧板以及下侧板；上极板和下极板的起始端均于所述底板连接，且上极板的起始端与所述电缆头的芯线连接；上侧板一端与底板的上边沿连接，另一端下表面与所述上极板的口径端连接；下侧板一端与底板的下边沿连接，另一端上表面与所述下极板的口径端连接；透镜的内表面为平面，透镜的外表面为球面、椭球面或双曲面，透镜的内表面与上侧板和下侧板位于口径端的一侧固定连接。

Description

一种透镜型超宽谱电磁脉冲辐射天线和天线阵列

技术领域

本发明属于电磁脉冲测量技术，涉及一种天线，具体涉及一种透镜型超宽谱电磁脉冲辐射天线和天线阵列。

背景技术

超宽谱电磁脉冲通常指脉冲前沿或者脉冲宽度在亚纳秒(10^-10s)量级、频谱范围在数十MHz至数GHz范围内的瞬态电磁脉冲，它具有与核电磁脉冲相似的宽频谱和短脉冲特性。在目标探测、目标识别、电磁毁伤、电磁兼容、生物医学等许多领域得到了广泛应用。

超宽谱电磁脉冲辐射天线是超宽谱微波系统中的核心部件，其作用是将脉冲源产生的超宽谱脉冲以一定波束宽度辐射到指定区域。为了提高天线的前向辐射场，需要将辐射波束聚焦到一定角度内。目前超宽谱电磁脉冲常用的辐射天线为抛物反射面天线和TEM喇叭天线。

抛物反射面天线的特点是能将辐射能量聚集在很窄的波束范围内，辐射场强很高，但该类天线通常体积较大，只适合高功率应用。

TEM喇叭天线结构简单，辐射效率高，辐射波束较宽，根据不同需求既可以应用于高功率又可应用于低功率辐射，还可以作为阵列天线的阵元使用。由于TEM喇叭天线辐射的是球面波，无空间聚焦能力，导致主轴辐射场强较低。

发明内容

为了解决背景技术中的问题，本发明提出了一种结构简单并且可有效提高TEM喇叭天线主轴辐射场强的透镜型超宽谱电磁脉冲辐射天线。

同时本发明还提供了一种使用上述透镜型超宽谱电磁脉冲辐射天线的天线阵列。

本发明的具体技术方案是：

本发明提供了一种透镜型超宽谱电磁脉冲辐射天线，包括上极板和下极板，上极板和下极板构成一阻抗渐变的TEM喇叭形式，其改进之处是：还包括外壳、透镜以及电缆头；

外壳包括底板、上侧板以及下侧板；

上极板和下极板的起始端均于所述底板连接，且上极板的起始端与所述电缆头的芯线连接；

上侧板一端与底板的上边沿连接，另一端下表面与所述上极板的口径端连接；

下侧板一端与底板的下边沿连接，另一端上表面与所述下极板的口径端连接；

透镜的内表面为平面，透镜的外表面为球面、椭球面或双曲面，透镜的内表面与上侧板和下侧板位于口径端的一侧固定连接。

进一步地，上述上极板和下极板的口径端均设有折边，所述上侧板和下侧板位于口径端的位置设置平板；所述透镜的内表面上设有两个相互平行的凸起；

所述凸起、平板以及折边的尺寸相同，并且凸起、平板以及折边由外至内依次固连。

进一步地，上述透镜的周边切割有两个相互平行的第一平面；第一平面与所述凸起方向保持平行；

或者所述透镜的周边切割有两个相互平行的第一平面和两个相互平行的第二平面；第一平面和第二平面相互垂直。

进一步地，上述外壳还包括两个梯形侧板；两个梯形侧板分别位于底板的左右两侧；侧板的顶边与所述底板的左边沿/右边沿连接，侧板的两个腰分别与上极板侧边沿以及下极板侧边沿连接。

进一步地，上述梯形侧板的高与馈入波形的宽度有关，其值可通过仿真结果得出，取值范围小于天线总长度的1/5。

进一步地，上述上侧板以及下侧板上均开设有减重结构。

进一步地，上述减重结构为圆形或椭圆形或矩形。

进一步地，上述上极板起始端宽度大于下极板起始端宽度，且均小于底板的宽度。

进一步地，上述上极板和下极板起始端的宽度与高度均小于上极板和下极板口径端的宽度与高度。

本发明还提供一种透镜型超宽谱电磁脉冲辐射天线阵列，其包括沿纵向和横向排布的上述多个天线结构。

本发明的优点在于：

1、本发明通过在TEM喇叭天线的基础上，增加了透镜和外壳，外壳和上下极板构成的电流环路在提高天线的前向辐射能力的同时还对整个天线起到了支撑作用，透镜的加入可有效提高天线主轴辐射场强。

2、本发明在外壳的上、下极板口径端设有折边，上下侧板位于口径端的位置设有平板、透镜的内表面设置凸起，通过将凸起、平板、折边依次固定，使得结构设计更加合理，天线结构更加稳定。

3、本发明在上、下极板的起始端(天线的馈电端)两侧各加一梯形侧板，与天线的上下外壳相连，其作用是减小侧向辐射的同时进一步提高前向辐射能力。

4、本发明的上下侧板设计有减重结构，不影响天线性能的同时减小了天线的重量，整个天线体积小巧，结构紧凑，适合于低功率超宽谱电磁脉冲的辐射。

5、本发明在透镜的四周切割有两个第一平面或者两个第一平面和两个第二平面，不仅方便整个天线的支撑，同时也使得天线在组成阵列时，空间利用率较高。

附图说明

图1是实施例1的立体结构示意图；

图2是透镜的前视图；

图3是透镜的侧视图；

图4为透镜的上视图；

图5为是实施例2的立体结构示意图；

图6为天线阵列的立体结构图。

附图标记如下：

1-上极板、2-下极板、3-外壳、4-透镜、5-底板、6-上侧板、7-下侧板、8-透镜的内表面、9-透镜的外表面、10-折边、11-平板、12-凸起、13-第一平面、14-第二平面、15-梯形侧板、16-减重结构。

具体实施方式

为使本发明的目的、优点和特征更加清楚，以下结合附图和具体实施例对本发明提出的一种透镜型超宽谱电磁脉冲辐射天线和天线阵列作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需要说明的是：附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的；其次，附图所展示的结构往往是实际结构的一部分；再次，各附图需要展示的侧重点不同，有时会采用不同的比例。

实施例1

如图1至图4所示，一种透镜型超宽谱电磁脉冲辐射天线，包括上极板1、下极板2、外壳3、透镜4以及电缆头(图中未示出)；

上极板1和下极板2构成一阻抗渐变的TEM喇叭形式，

外壳3包括底板5、上侧板6以及下侧板7；

上极板1和下极板2的起始端均于所述底板5连接，且上极板1的起始端与所述电缆头的芯线连接；

上侧板6一端与底板5的上边沿连接，另一端下表面与所述上极板1的口径端连接；

下侧板7一端与底板5的下边沿连接，另一端上表面与所述下极板2的口径端连接；

透镜的内表面8为平面，透镜的外表面9为球面、椭球面或双曲面，透镜的内表面8与上侧板6和下侧板7位于口径端的一侧固定连接。

优选地，为了使得天线结构设计更加合理，可靠稳定，上极板1和下极板2的口径端均设有折边10，上侧板6和下侧板7位于口径端的位置设置平板11；透镜4的内表面8上设有两个相互平行的凸起12；

凸起12、平板11以及折边10的尺寸相同，并且凸起12、平板11以及折边10由外至内依次固连，从而将上极板1、下极板2、上侧板6、下侧板7以及透镜4连接成一个整体。

优选地，为了使该天线结构能够以较高的空间利用率构成天线阵列，本实施例中透镜4的周边切割有两个相互平行的第一平面13；第一平面13与所述凸起方向保持平行。

该实施例的装配及工作过程如下：

(1)先将透镜、上极板、下极板、上侧板以及下侧板按要求加工的所需形状及尺寸；

(2)将透镜、上极板、下极板、上侧板以及下侧板按图1的方式进行配合；其中透镜上下两侧的各三个孔与天线口径上下两侧的各三个孔对齐，然后用尼龙螺钉进行固定；由于透镜的重量比天线的重量重，靠透镜的下切割面就可将整个天线支撑于水平面上，整个天线无需额外加支撑装置；

(3)工作时，超宽谱电磁脉冲由天线的SMA馈口馈入，然后在天线口面形成球面波进行辐射，球面波再经过透镜聚焦，在天线前方形成准平面辐射波。

实施例2

如图5所示，本发明还提供了实施例2，实施例2与实施例1的结构基本相同，唯一不同之处在于：

实施例2中透镜4的周边切割有两个相互平行的第一平面13和两个相互平行的第二平面14；第一平面13和第二平面14相互垂直，其目的为了进一步地提升该通过该单一天线结构组成天线阵列时的空间利用率。

另外，在实施例1和实施例2的基础上，本发明还做出了以下结构优化：

一、外壳3还包括两个梯形侧板16；两个梯形侧板16分别位于底板5的左右两侧；梯形侧板16的顶边与所述底板5的左边沿/右边沿连接，梯形侧板16的两个腰分别与上极板1侧边沿以及下极板2侧边沿连接，其作用主要是减小天线侧面辐射的同时，增强天线的前向辐射能力。梯形侧板16厚度与上侧板6和下侧板7厚度一致。梯形侧板16的长度与馈入波形的宽度有关，可根据仿真模拟得出，其值一般不超过天线总长度的1/5。

二、上侧板6和下侧板7各自设置有掏空减重结构16，减重结构16可以是椭圆形、圆形或者方形，减重结构16以不影响天线结构稳定的情况下可以适当放大，对天线的辐射性能没有影响。

如图6所示，本发明提供了一种采用16个如实施例2的天线结构组成的天线阵列。

本发明的说明书已经对发明内容给出了充分的说明，各组件的具体参数可以根据实际需求设定，普通技术人员足以通过本发明说明书的内容加以实施。在权利要求的框架下，任何基于本发明思路的改进都属于本发明的权利范围。

Claims (5)

1.一种透镜型超宽谱电磁脉冲辐射天线，包括上极板(1)和下极板(2)，上极板(1)和下极板(2)构成一阻抗渐变的TEM喇叭形式，外壳(3)包括底板(5)、上侧板(6)以及下侧板(7)；

上极板(1)和下极板(2)的起始端均于所述底板(5)连接；

上侧板(6)一端与底板(5)的上边沿连接，另一端下表面与所述上极板(1)的口径端连接；

下侧板(7)一端与底板(5)的下边沿连接，另一端上表面与所述下极板(2)的口径端连接；

其特征在于：

还包括透镜(4)以及电缆头；上极板(1)的起始端与所述电缆头的芯线连接；透镜(4)的内表面为平面，透镜(4)的外表面为球面、椭球面或双曲面，透镜(4)的内表面与上侧板(6)和下侧板(7)位于口径端的一侧固定连接；

上极板(1)和下极板(2)的口径端均设有折边(10)，所述上侧板(6)和下侧板(7)位于口径端的位置设置平板(11)；所述透镜的内表面上设有两个相互平行的凸起(12)；

所述凸起(12)、平板(11)以及折边(10)的尺寸相同，并且凸起(12)、平板(11)以及折边(10)由外至内依次固连；

所述透镜(4)的周边切割有两个相互平行的第一平面(13)；第一平面(13)与所述凸起(12)方向保持平行；

或者所述透镜(4)的周边切割有两个相互平行的第一平面(13)和两个相互平行的第二平面(14)；第一平面(13)和第二平面(14)相互垂直；

所述上侧板(6)以及下侧板(7)上均开设有减重结构(16)；

所述外壳(3)还包括两个梯形侧板(15)；两个梯形侧板(15)分别位于底板(5)的左右两侧；

梯形侧板(15)的顶边与所述底板(5)的左边沿/右边沿连接，梯形侧板(15)的两个腰分别与上极板(1)侧边沿以及下极板(2)侧边沿连接；所述梯形侧板(15)的高与馈入波形的宽度有关，其值可通过仿真结果得出，取值范围小于天线总长度的1/5。

2.根据权利要求1所述的透镜型超宽谱电磁脉冲辐射天线，其特征在于：所述减重结构(16)为圆形或椭圆形或矩形。

3.根据权利要求1所述的透镜型超宽谱电磁脉冲辐射天线，其特征在于：所述上极板(1)起始端宽度大于下极板(2)起始端宽度，且均小于底板(5)的宽度。

4.根据权利要求1所述的透镜型超宽谱电磁脉冲辐射天线，其特征在于：所述上极板(1)和下极板(2)起始端的宽度与高度均小于上极板(1)和下极板(2)口径端的宽度与高度。

5.一种透镜型超宽谱电磁脉冲辐射天线阵列，其特征在于，包括沿纵向和横向排布的多个天线结构，所述天线结构采用如权利要求1-4的透镜型超宽谱电磁脉冲辐射天线。

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