CN113810092A - 一种瞬态电磁脉冲辐射阵列的波形脉宽拓展方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及电磁场与微波技术领域，具体涉及一种瞬态电磁脉冲辐射阵列的波形脉宽拓展方法。本发明利用瞬态电磁脉冲在阵列天线中的时域叠加特性，通过控制阵列天线辐射单元的延时，在不改变天线尺寸及阵列结构的条件下，即可实现合成辐射场波形的脉宽拓展，使合成辐射场包含有更多的低频成分，避免了天线自身在物理硬件方面的限制，能够以简便、灵活的方式实现瞬态电磁脉冲辐射阵列的波形脉宽拓展。

Description

一种瞬态电磁脉冲辐射阵列的波形脉宽拓展方法
技术领域
本发明涉及电磁场与微波技术领域，具体涉及一种瞬态电磁脉冲辐射阵列的波形脉宽拓展方法。
背景技术
瞬态电磁脉冲是一种上升时间和脉冲持续时间为ns或亚ns量级、频谱范围为数十MHz至数GHz的时域电磁波，其在雷达目标探测与识别、电磁毁伤及生物医学等方面都受到广泛关注并具有广阔的应用前景。阵列天线是辐射瞬态电磁脉冲的主要技术手段之一，相比于采用大口径脉冲冲击天线，阵列天线辐射的波束更集中，阵列规模和形式也可以根据实际应用场景灵活调整，因此在瞬态电磁脉冲辐射中应用较多。
现有技术通常结合对瞬态脉冲脉宽的实际需求，对瞬态脉冲源以及辐射天线进行针对性设计，一套瞬态脉冲源与辐射天线的组合对应的脉冲脉宽为固定值。当阵列天线产生的辐射场需要包含更多低频分量，即辐射场波形脉宽需要拓展时，就要设计相应能够满足更大脉宽瞬态脉冲辐射要求的脉冲源及天线。然而，瞬态脉冲脉宽增大会使天线辐射效率急剧降低，相应辐射天线的尺寸、体积也越大，难以组成阵列，天线的设计以及工程化实现难度会大幅提高。(谢平,廖勇,徐刚.超宽带折线型TEM喇叭天线实验研究[J].强激光与粒子束,2015,27(10):149-154；刘明哲,张弘,李珂希,李泽宇.新型高功率超宽带天线设计[A].中国电子学会.2020年全国微波毫米波会议论文集(下册)[C].中国电子学会:中国电子学会微波分会,2020:3.)因此，在不改变瞬态脉冲源和辐射天线的基础上，如何避免天线尺寸等物理硬件方面的限制、拓展阵列天线辐射更大脉宽瞬态脉冲的能力，是应用中亟待解决的问题，需要探索其他更为简便、灵活的解决方式。
发明内容
本发明的目的是提供一种瞬态电磁脉冲辐射阵列的波形脉宽拓展方法，针对拓展阵列天线对更大脉宽瞬态脉冲的辐射能力的需求，基于瞬态脉冲的时域合成，通过调节阵列单元的延时，拓展辐射阵列合成脉冲的脉宽。
为实现上述目的，本发明的技术方案是：
一种瞬态电磁脉冲辐射阵列的波形脉宽拓展方法，包括如下步骤：
S1在阵列主轴上的固定距离放置喇叭天线或其他类型的瞬态电磁脉冲传感器，通过实际测试获得辐射阵列中单个辐射单元在阵列主轴上产生的远场辐射场波形并确定其波形脉宽；这里的固定距离是指瞬态电磁脉冲传感器与阵列天线物理几何中心之间的距离，距离大小满足辐射场的远场测量条件即可；此固定距离在后续的步骤中大小保持不变，以保证基于单个阵元实测辐射波形进行的仿真计算、实测及标定等过程结果的准确性。
S2确定不同位置阵列辐射单元之间的延时差值设置方式；当各个阵元产生的辐射场以一定延时差值依次到达阵列主轴上远场的某一点时，阵列合成辐射场的波形会因多个不同步辐射脉冲的时域叠加而展宽；可以参照阵列天线的实际结构，选定阵列结构几何中心或其他合适位置的阵元辐射场波形作为延时差值为0的基准信号，将其他阵元的延时差值分布设置成轴对称或中心对称等相对简洁的形式；延时差值的梯度可以设置成等差数列、正态分布或利用其他方法得到的梯度分布；本质目的都是为所需脉宽拓展应用场景确定合适的延时差值设置方式；
S3以单个辐射单元的实测辐射场波形以及此前确定的延时差值设置方式为基础，根据瞬态脉冲的时域叠加理论及实际阵列结构，并考虑辐射天线的方向性等因素，由MATLAB等仿真软件计算阵列辐射单元在分布方式相同但大小不同的延时差值下，对应的阵列主轴上的合成波形脉宽，得到延时差值与合成波形脉宽的对应特性关系，其结果能够体现出延时差值对合成波形脉宽的影响规律以及量级大小，可以为实际的测试、标定过程提供参考；
S4由于实际应用中存在延时控制精度有限、各单元辐射波形的传播距离也会存在误差等客观因素，所以需要实测对仿真计算结果进行验证；根据仿真计算结果及所需的合成波形脉宽大小，选择若干组大小不同的延时差值分别加载到辐射阵列，依然通过在阵列主轴固定距离上放置的喇叭天线或其他类型的瞬态电磁脉冲传感器实测获得阵列主轴上合成波形脉宽的实际测量值，得到延时差值与合成波形脉宽的实际对应特性关系；
S5延时差值对合成波形脉宽的影响规律以及量级大小通常会与仿真计算结果一致，合成波形脉宽的实际测量值与相应的计算值之间会有一定偏差；因此需要结合仿真结果和实测得到的离散数据，对辐射阵列延时差值与合成波形脉宽的对应特性关系进行标定及校正，可以通过数据拟合等方式得到特定延时差值设置方式下合成波形脉宽随延时差值大小的连续变化情况，最终得到标定校正后的对应关系，方便根据所需合成脉宽对相应的延时差值进行调用；
S6应用中根据所需合成波形脉宽大小，选择相应的延时差值参数并加载到各个阵列天线辐射单元，即可实现在阵列主轴固定距离上获得脉宽拓展的合成波形，进而实现瞬态电磁脉冲辐射阵列的波形脉宽拓展；
S7如果需要在阵列主轴其他距离上获得脉宽拓展的合成波形，循环上述步骤即能实现。
与现有技术相比，本发明的有效收益在于：
1、本发明利用瞬态电磁脉冲在阵列天线中的时域叠加特性，通过控制阵列天线辐射单元的延时，在不改变瞬态脉冲源、天线尺寸及阵列结构的条件下，即可实现合成辐射场波形的脉宽拓展，使合成辐射场包含有更多的低频成分，避免了天线自身在物理硬件方面的限制，能够以简便、灵活的方式实现瞬态电磁脉冲辐射阵列的波形脉宽拓展。
2、本发明提出的基于阵列合成的脉宽拓展方法，也可为拓展阵列天线辐射性能、以及构建具有更大脉宽的瞬态脉冲辐射场提供新的思路。
附图说明
图1瞬态电磁脉冲辐射阵列结构示意图；
图2瞬态电磁脉冲辐射阵列的波形脉宽拓展方法流程图；
图3本发明实施例提供的10×1线阵结构示意图；
图4本发明实施例提供的不同延时差值对应的合成波形；
图5本发明实施例提供的不同延时差值对应合成波形的频谱分布；
图6本发明实施例提供的合成波形脉宽及输出幅值随延时差值的变化。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步描述。
一种瞬态电磁脉冲辐射阵列的波形脉宽拓展方法，该方法可基于包括阵列天线辐射单元、延时控制模块的瞬态电磁脉冲辐射阵列实现。其中，阵列天线辐射单元包括产生瞬态脉冲的脉冲源及辐射天线等器件，多个单元共同组成辐射阵列，辐射脉冲在空间中时域合成产生瞬态电磁场；延时控制模块可通过电路控制延时芯片或光纤延迟线等器件实现，主要通过调节阵列天线辐射单元的触发信号延时，实现对每个阵列天线辐射单元辐射场的延时控制。
当每个阵列天线辐射单元辐射场同时到达阵列主轴上远场的某一点时，阵列合成产生的辐射场波形理论上应该与单个辐射单元产生的辐射场相同，脉宽不发生改变；
而当阵列天线辐射单元的辐射场以一定的延时差值依次到达阵列主轴上远场的某一点时，阵列合成辐射场的波形就会因多个不同步辐射脉冲的时域叠加而展宽，从而实现波形脉宽拓展，使阵列辐射场能量更多地向低频成分集中；
由实际测试确定特定延时差值与合成辐射场实际脉宽的对应关系后，即可通过调节延时，实现瞬态电磁脉冲辐射阵列的波形脉宽拓展，增强阵列天线辐射更大脉宽瞬态脉冲的能力。
本发明所述一种瞬态电磁脉冲辐射阵列的波形脉宽拓展方法可采用结构示意图如图1所示的瞬态电磁脉冲辐射阵列，其中包括阵列天线辐射单元1、延时控制模块2，多个延时控制模块可由一台计算机进行延时设置。
图2为本发明所述瞬态电磁脉冲辐射阵列的波形脉宽拓展方法的流程图，便于加强理解本发明的具体实施例的执行步骤如下：
S1.1具体实施例中采用的阵列结构如图3所示，辐射天线以10×1线阵的形式等间距排列，在阵列主轴远场处固定距离上通过放置喇叭天线或其他类型的瞬态电磁脉冲传感器对合成辐射场波形进行测量，其中r表示天线阵元到测量点的距离，d表示整个天线口面与测量点间的垂直距离；
S1.2为使本实施例的演示效果简洁直观，此处采用可解析表达的零阶高斯脉冲的一阶导数代替实测得到的单个阵列辐射单元产生的辐射场波形，其略去常数系数的电场时域波形表达式为
Figure BDA0003267069140000061
其中τ为决定波形脉宽的时间常数，ti为各个辐射单元的波形与延时差值为0的基准信号间的延时差值；其对应的频谱函数为
Figure BDA0003267069140000062
延时差值ti在频谱函数中仅引入相移项
Figure BDA0003267069140000063
不改变频谱函数值的模，即频谱成分幅值大小；辐射场波形为双极脉冲，脉宽(半高全宽)设定为5ns；
S2将位于线阵中间的第5、第6个阵元的信号设置为延时差值为0的基准信号，基准信号两侧各相邻阵元辐射波形到达测量点的延时差值设置为固定值t0(t0≥0)，即阵元延时从左至右依次为4t0，3t0，2t0，t0，0，0，t0，2t0，3t0，4t0，延时差值设置方式为轴对称的等差数列分布；实际应用中也可以采用正态分布或利用其他方法得到的不同延时梯度设置方式；
S3.1以S1.2中给出的单个辐射单元的辐射场波形、以及S2中确定的延时差值设置方式为基础，根据瞬态脉冲的时域叠加理论，各个具有不同延时差值的阵列辐射单元在阵列主轴远场固定距离测量点处叠加得到的合成电场时域波形可表示为
Figure BDA0003267069140000064
对应频谱函数为
Figure BDA0003267069140000065
S3.2结合实际阵列结构，远场中电场幅值与辐射距离成反比，并考虑辐射天线的方向性等因素，利用MATLAB等仿真软件计算得到各相邻阵元延时差值t0取不同值时测量点处的合成波形如图4所示，对应的合成波形频谱分布如图5所示，合成波形脉宽及输出幅值随t0的变化如图6所示；
S3.3由此可得延时差值与合成波形脉宽的对应特性关系以及延时差值对合成波形脉宽的影响规律以及量级大小，为实际测试提供参考；同时可以看出合成辐射场的波形脉宽得到了有效拓展，t0＝0/0.3/0.6/0.9ns时，对应合成波形脉宽分别为5/5.27/6.15/7.49ns，辐射场能量更多集中于低频成分；
S4由于实际应用中存在延时控制精度有限、各单元辐射波形的传播距离也会存在误差等客观因素，所以需要实测对仿真计算结果进行验证；根据仿真计算结果及所需的合成波形脉宽大小，选择若干组大小不同的延时差值分别加载到辐射阵列，依然在阵列主轴固定距离上放置的喇叭天线或其他类型的瞬态电磁脉冲传感器实测获得阵列主轴上合成波形脉宽的实际测量值，得到延时差值与合成波形脉宽的实际对应特性关系；
S5延时差值对合成波形脉宽的影响规律以及量级大小通常会与仿真计算结果一致，合成波形脉宽的实际测量值与相应的计算值之间会有一定偏差；因此需要结合仿真结果和实测得到的离散数据，对辐射阵列延时差值与合成波形脉宽的对应特性关系进行标定及校正；
可以通过数据拟合等方式得到特定延时差值设置方式下合成波形脉宽随延时差值大小的连续变化情况，最终得到标定校正后的对应关系，方便根据所需合成脉宽对相应的延时差值进行调用；
S6根据所需合成波形脉宽大小，选择相应的延时差值参数并加载到各个阵列天线辐射单元，即可实现在阵列主轴固定距离上获得脉宽拓展的合成波形，进而实现瞬态电磁脉冲辐射阵列的波形脉宽拓展；
由于本具体实施例S1.2中采用可解析表达的脉冲波形代替实测的单个阵元辐射场波形，这里略去S4、S5，直接以图6给出的合成波形脉宽及输出幅值随t0的变化规律作为演示：单个阵元辐射场波形脉宽5ns，10×1线阵的延时差值采用从左至右依次为4t0，3t0，2t0，t0，0，0，t0，2t0，3t0，4t0这种设置方式时，若想获得脉宽5.5/6.0/6.5/7.0ns的合成辐射场波形，则t0应取值分别为0.40/0.56/0.69/0.80ns；
S7如果需要在阵列主轴其他距离上获得脉宽拓展的合成波形，按照以上步骤再次进行操作即可。
以上是本发明的较佳实施例，并非是对本发明作其他形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。凡依本发明技术方案所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种瞬态电磁脉冲辐射阵列的波形脉宽拓展方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1在阵列主轴上的固定距离放置瞬态电磁脉冲传感器，通过实际测试获得辐射阵列中单个辐射单元在阵列主轴上产生的远场辐射场波形并确定其波形脉宽；所述固定距离是指瞬态电磁脉冲传感器与阵列天线物理几何中心之间的距离，该距离需满足辐射场的远场测量条件；
S2确定不同位置阵列辐射单元之间的延时差值设置方式，参照阵列天线的实际结构，将延时差值设置为梯度分布；
S3以单个辐射单元的实测辐射场波形以及此前确定的延时差值设置方式为基础，根据瞬态脉冲的时域叠加理论及实际阵列结构，并考虑辐射天线的方向性因素，由仿真软件计算阵列辐射单元在分布方式相同但大小不同的延时差值下，对应的阵列主轴上的合成波形脉宽，得到延时差值与合成波形脉宽的对应特性关系；
S4实测验证仿真计算结果；根据仿真计算结果及所需的合成波形脉宽大小，选择若干组大小不同的延时差值分别加载到辐射阵列，通过在阵列主轴固定距离上放置的喇叭天线或其他类型的瞬态电磁脉冲传感器实测获得阵列主轴上合成波形脉宽的实际测量值，得到延时差值与合成波形脉宽的实际对应特性关系；
S5结合仿真结果和实测得到的离散数据，对辐射阵列延时差值与合成波形脉宽的对应特性关系进行标定及校正；
S6根据所需合成波形脉宽大小，选择相应的延时差值参数并加载到各个阵列天线辐射单元，即实现了在阵列主轴特定距离上获得脉宽拓展的合成波形，进而实现瞬态电磁脉冲辐射阵列的波形脉宽拓展；
S7如果需要在阵列主轴其他距离上获得脉宽拓展的合成波形，循环上述步骤至满足需求为止。
2.根据如权利要求1所述的一种瞬态电磁脉冲辐射阵列的波形脉宽拓展方法，其特征在于，所述波形脉宽拓展方法基于阵列天线辐射单元、延时控制模块的瞬态电磁脉冲辐射阵列实现，所述阵列天线辐射单元包括产生瞬态脉冲的脉冲源及辐射天线，多个阵列天线辐射单元共同组成辐射阵列；延时控制模块通过电路控制延时芯片或光纤延迟线实现，通过调节阵列天线辐射单元的触发信号延时，实现对每个阵列天线辐射单元辐射场的延时控制。
3.一种瞬态电磁脉冲辐射阵列的波形脉宽拓展方法，其特征在于，所述步骤S1中的瞬态电磁脉冲传感器为喇叭天线。
4.根据如权利要求1所述的一种瞬态电磁脉冲辐射阵列的波形脉宽拓展方法，其特征在于，所述延时差值能够设置成等差数列、正态分布或利用其他方法得到的梯度分布。
5.根据如权利要求3所述的一种瞬态电磁脉冲辐射阵列的波形脉宽拓展方法，其特征在于，所述延时差值如下设置，选定阵列结构几何中心的阵元辐射场波形作为延时差值为0的基准信号，将其他阵元的延时差值分布设置成轴对称或中心对称的形式。
6.根据如权利要求1所述的一种瞬态电磁脉冲辐射阵列的波形脉宽拓展方法，其特征在于，所述步骤S5通过数据拟合等方式得到特定延时差值设置方式下合成波形脉宽随延时差值大小的连续变化情况，最终得到标定校正后的对应关系，以便于根据所需合成脉宽对相应的延时差值进行调用。
7.根据如权利要求1所述的一种瞬态电磁脉冲辐射阵列的波形脉宽拓展方法，其特征在于，所述步骤S3所述仿真软件采用MATLAB。
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