一種高功率超寬帶雙脈沖輻射天線的設(shè)計(jì)

一種高功率超寬帶雙脈沖輻射天線的設(shè)計(jì)

高功率超寬譜電磁脈沖技術(shù)（uw）是高功率微波研究領(lǐng)域的前沿主題，具有重要的實(shí)踐價(jià)值。目前UWS技術(shù)在目標(biāo)識(shí)別、目標(biāo)探測(cè)、衛(wèi)星通信以及醫(yī)學(xué)成像等領(lǐng)域已經(jīng)開始得到應(yīng)用,并顯示出廣闊的應(yīng)用前景。超寬帶(UWB)輻射天線是UWS技術(shù)應(yīng)用中不可或缺的系統(tǒng)。在超寬譜電磁脈沖發(fā)射技術(shù)方面,橫電磁波(TEM)喇叭天線得到了廣泛的研究和應(yīng)用;而由TEM喇叭饋電的拋物反射面超寬帶天線由于具有空間聚焦能力強(qiáng)、波束窄的顯著特點(diǎn),成為目前最為常用的高功率超寬帶天線之一;帶鏡面板的半拋物反射面超寬帶天線,由于饋電更為方便,結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單,也得到了廣泛應(yīng)用。不過(guò)這些天線一般都是針對(duì)相應(yīng)的超寬譜電磁脈沖形式而設(shè)計(jì),只能輻射一路電磁脈沖,其輻射場(chǎng)頻譜寬度是恒定的,但許多實(shí)際應(yīng)用中我們并不知道目標(biāo)的頻譜響應(yīng)范圍是多少,這就要求我們盡可能地拓寬輻射脈沖的頻譜寬度。本文針對(duì)此應(yīng)用需求設(shè)計(jì)了一種超寬帶雙脈沖輻射天線。天線采用帶鏡面板的半拋物反射面結(jié)構(gòu),使用三個(gè)饋源共用一個(gè)拋物反射面進(jìn)行輻射。饋源可以輸入雙路不同脈寬的超寬譜電磁脈沖,脈沖間隔根據(jù)應(yīng)用需求設(shè)計(jì)成一定的時(shí)延。該天線既能輸出雙路組合脈沖,又能單獨(dú)輸出不同脈寬的單路脈沖。對(duì)該天線的輻射特性進(jìn)行了數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)研究,對(duì)輻射組合脈沖采用短時(shí)傅里葉變換(STFT)進(jìn)行了聯(lián)合時(shí)頻分析,并與單路輸出結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。結(jié)果表明采用雙路輸出后輻射場(chǎng)的頻譜寬度比單路輸出有了明顯的拓寬,達(dá)到了設(shè)計(jì)目的。1脈沖能量密度頻譜超寬譜電磁脈沖的脈寬不同,其頻譜分量也不一樣。脈寬越寬,低頻含量越大。若將兩種不同脈寬的超寬譜脈沖組合在一起,那么組合脈沖頻譜將是對(duì)應(yīng)于該信號(hào)每一部分的頻譜之和,即S=S1+S2(1)S=S1+S2(1)從而達(dá)到拓寬頻譜的目的。但是,能量密度并不是每一部分能量密度之和,也就是說(shuō)|S|2=|S1+S2|2=|S1|2+|S2|2+2Re{S1×S2}(2)|S|2=|S1+S2|2=|S1|2+|S2|2+2Re{S1×S2}(2)這樣,組合脈沖能量密度頻譜就不是每一個(gè)脈沖能量密度頻譜之和。其物理原因是:當(dāng)我們把兩個(gè)信號(hào)相加時(shí),波形可以相加,但各種干擾對(duì)原頻率產(chǎn)生不同的加權(quán)。在數(shù)學(xué)上,這反映在能量密度頻譜和的絕對(duì)平方,這一事實(shí)是由于非線性作用的結(jié)果。強(qiáng)度怎樣變化根據(jù)方程(2)來(lái)考慮。能量密度頻譜隨脈沖間隔而變化,甚至當(dāng)時(shí)間間隔很大也是如此。因此,我們可以根據(jù)應(yīng)用要求,通過(guò)改變兩種脈沖的時(shí)間間隔來(lái)改變組合脈沖的能量密度頻譜分布。2信號(hào)的時(shí)鐘分布本文傅里葉變換及其逆變換建立了信號(hào)頻域與時(shí)域的映射關(guān)系,但傅里葉變換是一種整體變換,對(duì)信號(hào)的表征要么完全是時(shí)間域,要么完全是頻率域,無(wú)法給出信號(hào)頻譜隨時(shí)間的變化規(guī)律。而對(duì)于超寬譜脈沖信號(hào)而言,由于其頻譜隨時(shí)間有較大的變化,只了解信號(hào)在時(shí)域或者頻域的全局特性是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。時(shí)頻分析方法能將1維時(shí)域信號(hào)變換到2維或3維的時(shí)頻平面,并在時(shí)頻平面上表示出信號(hào)中各個(gè)分量的時(shí)間關(guān)聯(lián)譜特性,在每個(gè)時(shí)間指示出信號(hào)任意瞬時(shí)頻率附近的能量聚集情況,能夠全面地反映出超寬譜電磁脈沖的時(shí)頻聯(lián)合特征。短時(shí)傅里葉變換是應(yīng)用最廣泛的一種時(shí)頻分析方法,其基本思想是用窗函數(shù)來(lái)截取信號(hào),假定信號(hào)在窗內(nèi)是平穩(wěn)的,采用傅里葉變換分析窗內(nèi)的信號(hào),以確定窗內(nèi)存在的頻率成分,然后沿著信號(hào)時(shí)間方向移動(dòng)窗函數(shù),得到頻率隨時(shí)間的變化關(guān)系,即所需要的時(shí)頻分布。信號(hào)s(t)的短時(shí)傅里葉變換表示為St(ω)=(1/2π??√)∫e?jωτs(τ)h(τ?t)dτ(3)St(ω)=(1/2π)∫e-jωτs(τ)h(τ-t)dτ(3)式中:h(τ)為窗函數(shù)。在時(shí)間t的能量密度頻譜是PSP(t,ω)=|St(ω)|2=∣∣∣(1/2π??√)∫e?jωτs(τ)h(τ?t)dτ∣∣∣2(4)ΡSΡ(t,ω)=|St(ω)|2=|(1/2π)∫e-jωτs(τ)h(τ-t)dτ|2(4)對(duì)于每一個(gè)不同的時(shí)間,都可以得到一個(gè)不同的頻譜,這些頻譜的總體就是時(shí)頻分布PSP(t,ω),即頻譜圖。3天線設(shè)計(jì)3.1雙極脈沖輻射特性饋入的雙路脈沖為峰值電壓相同、峰峰值脈寬tp-p分別為1.7ns與3ns的雙極脈沖,其-10dB頻譜寬度分別為26～458MHz與15～295MHz。由于雙極脈沖的低頻含量比單極脈沖少,采用雙極脈沖輻射能有效提高天線的饋電效率。兩路脈沖歸一化波形如圖1所示。根據(jù)應(yīng)用需求,我們可以通過(guò)調(diào)整饋線長(zhǎng)度來(lái)改變兩路脈沖的時(shí)間間隔。最終設(shè)計(jì)為3ns脈沖滯后1.7ns脈沖約12.5ns。3.2tem喇叭覆蓋設(shè)計(jì)為滿足高功率超寬譜電磁脈沖輻射要求,天線采用半拋物反射面+鏡面板+TEM喇叭饋源的形式。TEM喇叭均置于充滿變壓器油的有機(jī)玻璃介質(zhì)箱體中。關(guān)于半拋物反射面天線的設(shè)計(jì)及相關(guān)結(jié)論可參考文獻(xiàn)。本文設(shè)計(jì)的半拋物反射面天線直徑為8m,焦距3.2m,對(duì)應(yīng)的反射面半張角約為64°。鏡面板為8m×6m的矩形金屬板。3.3饋源位置選取饋源是整個(gè)天線設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。饋源的性能很大程度上決定了天線的性能。為滿足雙路輸出的要求,饋源設(shè)計(jì)為3個(gè)TEM喇叭共用1個(gè)反射面進(jìn)行輻射的形式。饋源布局如圖2所示。兩路脈沖的饋源輻射中心都應(yīng)置于拋物面的焦點(diǎn)上,具體設(shè)計(jì)為:1.7ns脈沖由阻抗50Ω饋線饋入中間饋源,并將其輻射中心置于拋物面焦點(diǎn)上。3ns脈沖由功分器分成兩路,這兩路信號(hào)分別由100Ω至50Ω阻抗?jié)u變饋線同時(shí)饋入兩側(cè)饋源。兩側(cè)饋源構(gòu)成水平二元陣列,其輻射主軸位于兩陣元連線的中垂線上,兩饋源輻射中心連線的中點(diǎn)置于拋物面的焦點(diǎn)上,相當(dāng)于將饋源放在了拋物面焦點(diǎn)上。TEM喇叭輻射中心的位置選取很關(guān)鍵,它影響到天線口徑上的場(chǎng)分布,進(jìn)而影響天線的輻射場(chǎng)強(qiáng)。其位置受喇叭口徑大小、喇叭特性阻抗及饋入脈沖形式等諸多因素的影響,且兩個(gè)主平面(H面與E面)的輻射中心一般還不一致。本文采用文獻(xiàn)定義最優(yōu)相位中心的方法確定饋源的位置,具體為沿主軸方向前后移動(dòng)饋源,同時(shí)測(cè)量輻射場(chǎng)強(qiáng)。輻射場(chǎng)強(qiáng)最大值時(shí)的饋源位置即為輻射中心。根據(jù)饋入脈沖的頻譜寬度,饋源的長(zhǎng)度都選取為75cm。為獲得高的口徑效率,必須使饋源方向圖與反射面匹配。拋物反射面的峰值口徑效率出現(xiàn)在邊緣照射約-11dB處,對(duì)應(yīng)本文天線的饋源方向圖-11dB波束寬度約為128°,饋源的口徑尺寸即以該目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。為了提高饋源的低頻輻射能力,我們?cè)诿總€(gè)饋源末端加載了一段導(dǎo)體板。導(dǎo)體板的長(zhǎng)度以饋源方向圖與反射面相匹配來(lái)選取。以上優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程都由電磁場(chǎng)數(shù)值計(jì)算軟件CSTMICROWAVESTUDIO來(lái)完成。采用的計(jì)算方法為時(shí)域有限積分(FIT)。最終設(shè)計(jì)結(jié)果為:中間饋源口徑寬45cm,高30cm,兩側(cè)饋源口徑高和寬均為30cm。反射面焦點(diǎn)置于中間饋源口徑面內(nèi)側(cè)10cm處,兩側(cè)饋源口徑面相對(duì)于中間饋源口徑面向后移動(dòng)10cm。兩側(cè)饋源饋電點(diǎn)間距1.1m。3個(gè)饋源末端加載的導(dǎo)體板長(zhǎng)度都是50cm。3.4輻射場(chǎng)頻譜分析模擬所得距離天線100m處主軸歸一化波形如圖3所示。3ns脈沖的幅度要小于1.7ns脈沖,這主要是由于3ns脈沖的低頻含量比1.7ns脈沖大,導(dǎo)致兩側(cè)饋源的饋電效率降低,同時(shí)中間饋源的存在也降低了兩側(cè)饋源的輻射場(chǎng)強(qiáng)。用STFT方法對(duì)該波形進(jìn)行時(shí)頻分析,所加窗函數(shù)為Hamming窗,表達(dá)式為h(n)=0.54?0.46cos(2πnL?1),0≤n≤L?1(5)h(n)=0.54-0.46cos(2πnL-1),0≤n≤L-1(5)式中:L為窗口長(zhǎng)度。結(jié)果表明,1.7ns與3ns輻射脈沖-10dB頻譜寬度分別為120～482MHz和50～265MHz,組合脈沖的2維頻譜圖如圖4所示,其-10dB頻譜寬度為60～490MHz,幾乎涵蓋1.7ns與3ns的頻譜范圍,輻射場(chǎng)頻譜得到了很大拓寬。從頻譜圖上可以看出,組合脈沖中-40dB以上頻譜成分從1.7ns脈沖開始時(shí)刻一直延續(xù)到3ns脈沖結(jié)束時(shí)刻,在這段脈沖持續(xù)時(shí)間內(nèi)的任一時(shí)刻都包含了非常豐富的不同頻譜密度的頻譜成分,這一結(jié)果正好滿足了UWS技術(shù)的應(yīng)用需求,使我們可以在更寬的頻譜范圍內(nèi)作用于更多的目標(biāo)物體,拓展UWS技術(shù)的應(yīng)用范圍。4模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果根據(jù)數(shù)值模擬優(yōu)化結(jié)果,我們?cè)O(shè)計(jì)了超寬帶雙脈沖輻射天線實(shí)驗(yàn)裝置。超寬譜高功率微波源位于鏡面板下方,產(chǎn)生的雙路脈沖經(jīng)同軸傳輸線垂直饋入饋源。饋入的脈沖波形與圖1所示一致。在距離天線100m處測(cè)量主軸波形,結(jié)果如圖5所示。1.7ns脈沖與3ns脈沖形狀基本與模擬結(jié)果一致。由于地面的影響,實(shí)驗(yàn)波形中多了許多反射波形。用STFT方法對(duì)該組合脈沖進(jìn)行時(shí)頻分析,頻譜圖示于圖6。分析結(jié)果表明,1.7ns與3ns輻射脈沖-10dB頻譜寬度分別為160～470MHz和85～305MHz,而組合脈沖-10dB頻譜寬度為95～46