CN110767992B - 一种超宽谱电磁脉冲测量天线及测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超宽谱电磁脉冲测量天线结构，其目的是为确保最低反射、最高波形保真度，避免波形产生畸变，同时适用于水平极化波的测量。该天线结构包括电缆头、上极板以及下极板，所述上极板以及下极板采用相同尺寸的梯形结构；上极板和下极板的小端处均连接有一矩形板；两个矩形板平行设置形成馈点处，上极板的大端以及下极板的大端之间形成口径处；上极板和下极板之间通过多个支柱支撑连接；上极板和下极板之间的距离由馈点处向口径处逐渐变大；上极板的矩形板上设有第一小孔，电缆头的芯线穿过第一小孔后与所述上极板焊接；下极板的矩形板上设有第二小孔，电缆头外导体固定在第二小孔内。

Description

一种超宽谱电磁脉冲测量天线及测量系统

技术领域

本发明属于电磁脉冲测量技术，涉及一种天线，具体涉及一种超宽谱电磁脉冲测量天线及测量系统。

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。

当超宽谱电磁脉冲由辐射天线向空间辐射时，需要相应的测量设备测量其辐射场强。超宽谱电磁脉冲的测量与传统的连续波测试有很大的不同。连续波测试技术目前己经十分成熟，而超宽谱脉冲信号通常是单个或一串具有极快上升沿、持续时间很短的脉冲，在频域上占有极宽的频谱范围。所以电磁脉冲测试不仅要测量信号的幅度，更重要的是要测量信号的时域分布，这就对测量天线的灵敏度、波形保真度等都提出了更高的要求。

目前国内外常用的测量超宽谱辐射脉冲的天线为TEM喇叭天线。TEM喇叭用作接收天线时具有以下特性：(1)在长度一定的条件下，张角越大，灵敏度越高，波形保真性越差；(2)在张角一定的条件下，长度越长，灵敏度越高，波形保真性越好。所以一般设计的高灵敏度及高保真性的TEM喇叭接收天线，都会尽量增大喇叭长度，减小喇叭张角。

但在实际应用中，由于受一定尺寸限制，接收天线不可能无限长，在满足一定的灵敏度及波形保真性要求的条件下，需要对喇叭张角及长度进行折中考虑。同时从阻抗匹配的角度分析，由于接收天线输出端一般接特性阻抗为50Ω的同轴电缆，当测量天线采用恒阻抗50Ω设计时，将具有最低的反射与最高的波形保真度。但由于测量天线不可能无限长，在天线口径处如果设计成特性阻抗50Ω，将使口径宽高比特别大(达到6:1)，从而导致较大的空间色散使接收波形产生畸变，因而需要对测量天线的阻抗特性进行折中考虑。

目前使用的大部分测量天线结构都为测量垂直极化辐射波而设计，若用它来测量水平极化波将会在使用上带来较大的不便。

发明内容

为确保最低反射、最高波形保真度，避免波形产生畸变，同时适用于水平极化波的测量，本发明提出了一种超宽谱电磁脉冲测量天线结构。

本发明的具体技术方案是：

本发明提供了一种超宽谱电磁脉冲测量天线，包括电缆头、上极板以及下极板，所述上极板以及下极板采用相同尺寸的梯形结构；

上极板和下极板的小端处均连接有一矩形板；

两个矩形板平行设置形成馈点处，上极板的大端以及下极板的大端之间形成口径处；

上极板和下极板之间通过多个支柱支撑连接；上极板和下极板之间的距离由馈点处向口径处逐渐变大；

上极板的矩形板上设有第一小孔，电缆头的芯线穿过第一小孔后与所述上极板焊接；

下极板的矩形板上设有第二小孔，电缆头外导体固定在第二小孔内。

进一步地，该天线结构还包括固定框架以及二维旋转底座；固定框架包括水平架体、前竖直架体和后竖直架体；水平架体安装在二维旋转底座上，前竖直架体和后竖直架体的下端分别固定安装在水平架体两端，前竖直架体的上端固定于靠近馈电处的位置，后竖直架体的上端固定于靠近口径处的位置。

进一步地，上述支柱支撑为四根，包括两根长支撑杆以及两根短支撑杆；两根长支撑杆的安装位置靠近口径处，且上下分布；两根短支撑杆的安装位置靠近馈电处，且上下分布。

进一步地，上述馈点处特性阻抗为50Ω，口径处的特性阻抗80Ω，且从馈点处至口径处逐渐增大。

进一步地，上述上极板以及下极板均采用黄铜制作而成。

进一步地，上述电缆头采用SMA结构。

基于天线结构的描述，现对一种超宽谱电磁脉冲测量系统进行介绍，其包括同轴电缆、示波器以及上述测量天线；同轴电缆的一端与上述测量天线中的电缆头连接，另一端与所述示波器连接。

本发明的优点在于：

本发明的天线结构采用双平板结构，长度为75cm，口径宽度30cm，口径高度10cm。特性阻抗由馈点处的50Ω渐变至口径处的80Ω。馈电结构采用同轴线垂直馈电方式，在输出端用一个SMA同轴连接器，其外导体与下极板连接，内导体通过下极板与上极板顶点连接，馈电点高度1mm，采用这种小尺寸的馈电结构，有效的提高了波形保真性，使得该测量天线可实时、准确地测量频谱范围从数十MHz至数GHz的超宽谱电磁脉冲辐射场。

本发明的测量天线结构专为测量水平极化波而设计，结构简单轻便，通过固定框架以及二维旋转底座可很方便的调节测量天线的俯仰角与方位角。

附图说明

图1为本发明中测量天线安装示意图。

图2为上极板和矩形板连接的示意图。

图3为下极板和矩形板连接的示意图。

图4为固定框架与二维旋转底座装配后的立体结构示意图。

附图标记如下：

1-上极板、2-下极板、3-矩形板、4-支柱支撑、5-第一小孔、6-第二小孔、7-固定框架、8-二维旋转底座、9-水平架体、10-竖直架体。

具体实施方式

为使本发明的目的、优点和特征更加清楚，以下结合附图以及具体实施例对本发明提出的一种超宽谱电磁脉冲测量天线及测量系统作进一步详细说明。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。

如图1所示，本发明提供了一种超宽谱电磁脉冲的测量天线，包括上极板1以及下极板2；上极板1以及下极板2均采用黄铜制作，并且均为相同尺寸的梯形结构；上极板1和下极板2的小端处均连接有一矩形板3；两个矩形板3平行设置形成馈点处，上极板1的大端以及下极板2的大端之间形成口径处；

上极板1和下极板2之间通过多个支柱支撑4连接(支柱选用非金属材质制作)；上极板1和下极板2之间的距离由馈点处向口径处逐渐变大，其特性阻抗由馈点处的50Ω逐渐增大为口径处的80Ω；测量天线总长度为75cm，其中口径处宽度30cm，口径处高度10cm。

上极板的矩形板3由于与电缆头的芯线焊接，所以在馈点处(上极板的矩形板中心)开一与电缆头芯线直径一致的第一小孔5，电缆头的芯线从第一小孔5伸出后于上极板1焊接在一起。

下极板的矩形板3由于与电缆头外导体焊接在一起，所以在馈点处(下极板的矩形板中心)开一与电缆头外导体直径相同尺寸的第二小孔6，电缆头的绝缘材质穿过第二小孔3与上极板1贴合，在馈点处绝缘层的厚度尽量小，尺寸一般为1mm，绝缘层的材质选用聚四氟乙烯制作而成。

上极板1、下极板2安装完毕后，再将利用固定框架7将上、下极板安装在二维旋转底座8上。

其中，固定框架7包括水平架体9以及两个竖直架体10；

水平架体9安装在二维旋转底座8上，两个竖直架体10安装在水平架体9两端且分别与所述口径处和所述馈电处固定连接。

二维旋转底座8用于提供固定框体7、上极板1、下极板2水平旋转和俯仰旋转。

基于上述测量天线，本发明还提供了一套测量系统，其包括电缆头、同轴电缆、示波器以及上述测量天线；测量天线上的馈电处设置电缆头，同轴电缆的一端与电缆头连接，另一端与所述示波器连接。

测量过程

测量天线使用前，首先需要提前完成以下两个步骤：

1、先要对测量天线灵敏度进行标定。标定方法既可以用既有标准天线对其进行标定，又可以用双天线法进行标定。

2、用矢量网络分析仪对同轴电缆的衰减系数和衰减器的衰减倍数进行标定，标定时所采用的频率点为测量脉冲的中心频率。

测量天线使用时：将同轴电缆一端连接馈点处的SMA接头，同轴电缆的另一端连接衰减器的输入端，衰减器的输出端连接测量示波器。

若测量天线的灵敏度为a，同轴电缆的衰减系数为b，衰减器的衰减倍数为c，示波器读得的波形幅值为V，则测得辐射波形的场强值E为：

E＝c*V/(a*b)

该测量天线可准确测量频谱范围从数十MHz至数GHz的超宽谱电磁脉冲辐射场。

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 (6)

1.一种超宽谱电磁脉冲测量天线，包括电缆头、上极板(1)以及下极板(2)，其特征在于：所述上极板(1)以及下极板(2)采用相同尺寸的梯形结构；

上极板(1)和下极板(2)的小端处均连接有一矩形板(3)；

两个矩形板(3)平行设置形成馈点处，上极板(1)的大端以及下极板(2)的大端之间形成口径处；馈点处特性阻抗为50Ω，口径处的特性阻抗80Ω，且从馈点处至口径处逐渐增大；

测量天线总长度为75cm，其中，口径处宽度30cm，口径处高度10cm；馈电处高度1mm；

上极板(1)和下极板(2)之间通过多个支柱支撑(4)连接；上极板(1)和下极板(2)之间的距离由馈点处向口径处逐渐变大；

上极板(1)的矩形板上设有第一小孔(5)，电缆头的芯线穿过第一小孔(5)后与所述上极板(1)焊接；

下极板(2)的矩形板上设有第二小孔(6)，电缆头外导体固定在第二小孔(6)内。

2.根据权利要求1所述的一种超宽谱电磁脉冲测量天线，其特征在于：还包括固定框架(7)以及二维旋转底座(8)；固定框架(7)包括水平架体(9)、前竖直架体(10)和后竖直架体(10)；水平架体(9)安装在二维旋转底座(8)上，前竖直架体(10)和后竖直架体(10)的下端分别固定安装在水平架体(9)两端，前竖直架体(10)的上端固定于靠近馈电处的位置，后竖直架体(10)的上端固定于靠近口径处的位置。

3.根据权利要求2所述的一种超宽谱电磁脉冲测量天线，其特征在于：支柱支撑(4)为四根，包括两根长支撑杆以及两根短支撑杆；两根长支撑杆的安装位置靠近口径处，且上下分布；两根短支撑杆的安装位置靠近馈电处，且上下分布。

4.根据权利要求1所述的一种超宽谱电磁脉冲测量天线，其特征在于：上极板(1)以及下极板(2)均采用黄铜制作而成。

5.根据权利要求1所述的一种超宽谱电磁脉冲测量天线，其特征在于：所述电缆头采用SMA结构。

6.一种超宽谱电磁脉冲测量系统，其特征在于：包括同轴电缆、示波器以及如权利要求1所述的测量天线；同轴电缆的一端与所述测量天线中的电缆头连接，另一端与所述示波器连接。

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