劉興隆,伍 洋

(中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所,河北石家莊050081)

0 引言

漸近線喇叭天線(TEM喇叭)屬于輻射球面橫電磁波的天線,具有與頻率無關(guān)的特性阻抗,是一種典型的超寬帶天線,可以實(shí)現(xiàn)定向輻射的TEM波,是高功率電磁脈沖主要的輻射器。因此得到了包括沖擊場檢測、核電磁脈沖模擬、超寬帶雷達(dá)脈沖輻射、高功率陣列輻射[1]等方面廣泛應(yīng)用。

漸近線喇叭天線是電磁脈沖模擬器的重要組成部分,不僅要具有良好的阻抗和輻射特性,還要能夠承受極大的瞬時(shí)功率。給出了一個(gè)工作頻率為50～500 MHz,承受瞬時(shí)功率可達(dá)1 GW的漸近線喇叭天線實(shí)例,詳細(xì)描述了天線的設(shè)計(jì)思路以及實(shí)現(xiàn)方法,并給出了測試結(jié)果。

1 總體設(shè)計(jì)

漸近線喇叭天線一般由3部分組成,分別為脈沖傳輸線、饋電結(jié)構(gòu)和阻抗變換結(jié)構(gòu)。傳輸線將高能脈沖信號傳輸?shù)金侂娊Y(jié)構(gòu),經(jīng)阻抗變換結(jié)構(gòu)將電磁能量輻射出去。高能脈沖的上升沿脈寬為8 ns,頻率分量主要為50～500 MHz,最高電壓設(shè)計(jì)為250 kV。

1.1 傳輸線設(shè)計(jì)

由于脈沖信號在平板結(jié)構(gòu)傳輸中,輻射損失較大,因此對于瞬態(tài)脈沖信號的傳輸一般采用同軸結(jié)構(gòu)[2]。漸近線喇叭天線采用平行板饋電,發(fā)射機(jī)和平行板之間采用同軸線連接。由于天線需承受瞬時(shí)脈沖功率極大,因此所用的同軸線需要特殊制造。式(1)給出了同軸線物理尺寸與承受功率的關(guān)系。式中,a、b分別為同軸線的內(nèi)外導(dǎo)體的半徑,Ebr為填充介質(zhì)的擊穿場強(qiáng)。由于空氣擊穿電壓較小,為減小同軸線物理尺寸,導(dǎo)體間填充了高耐壓介質(zhì)變壓器油。

為保證內(nèi)外導(dǎo)體的同軸度,導(dǎo)體間采用聚四氟乙烯進(jìn)行支撐,同時(shí),為使耐壓介質(zhì)填充充分,避免留下空氣腔導(dǎo)致局部擊穿場強(qiáng)下降,在聚四氟乙烯支撐上預(yù)留多個(gè)孔洞,如圖1所示。

圖1 支撐墊示意圖

聚四氟乙烯的介電強(qiáng)度國家標(biāo)準(zhǔn)大于27.5 kV/mm,純凈變壓器油的介電強(qiáng)度大于24 kV/mm,根據(jù)變壓器油的介電強(qiáng)度進(jìn)行分析,同時(shí)考慮加工安裝方便,設(shè)計(jì)同軸線的內(nèi)徑a為13.5 mm,外徑 b為45 mm。設(shè)計(jì)傳輸線耐壓值為378 kV,可以滿足最大脈沖功率時(shí)線間電壓為250 kV的要求,并且有50%以上的裕度。

1.2 饋電結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

饋電結(jié)構(gòu)的作用是從同軸傳輸線結(jié)構(gòu)到平板輻射段結(jié)構(gòu)過渡,一般可采用2種方式。一種為直接點(diǎn)連接式,直接將同軸結(jié)構(gòu)的內(nèi)芯與漸近線喇叭天線的一塊極板相連,同軸結(jié)構(gòu)的外壁與漸近線喇叭天線的地平板相連。另一種為漸變式,同軸結(jié)構(gòu)的內(nèi)芯由圓柱逐漸過渡到漸近線喇叭極板,同軸結(jié)構(gòu)的外壁逐漸過渡到漸近線喇叭地平板。

第1種方式的優(yōu)點(diǎn)是過渡結(jié)構(gòu)緊湊,對于中小功率的瞬態(tài)脈沖的輻射較為合適,這是一種對稱結(jié)構(gòu)的連接方式,饋電結(jié)構(gòu)對喇叭的方向圖不會造成影響。隨著瞬態(tài)脈沖峰值功率的提高,同軸結(jié)構(gòu)尺寸的增大,應(yīng)用漸變式方法更為合適,但漸變方式需要在同軸線的外壁上開口,使同軸線的內(nèi)芯和外壁漸變,喇叭輻射方向圖在開口方向有明顯的旁瓣,造成了能量的損失[2]。

由于設(shè)計(jì)脈沖功率為1 GW,選擇直接點(diǎn)連接式饋電設(shè)計(jì)可以滿足功率要求,并且有較好的輻射特性。同軸線的內(nèi)芯與漸近線喇叭的極板連接,同軸線的外壁與喇叭的地平板相連。并對點(diǎn)連接式結(jié)構(gòu)的內(nèi)芯連接部分進(jìn)行改進(jìn),修改為錐形連接,如圖2所示。錐形連接既可使阻抗連續(xù),又避免了尖角連接處的尖端放電造成的喇叭在高壓下的擊穿現(xiàn)象。

1.3 阻抗變換結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

漸近線喇叭天線的阻抗變換結(jié)構(gòu)為2片平行導(dǎo)體板,圖2為漸近線喇叭天線的示意圖。一般可以采用直線張開的平板結(jié)構(gòu)或指數(shù)張開的平板結(jié)構(gòu),直線張開的平板結(jié)構(gòu)加工容易,指數(shù)張開的平板結(jié)構(gòu)阻抗匹配較好,可減小傳輸損耗,但加工困難。為了實(shí)現(xiàn)寬頻帶的優(yōu)良匹配,采用了指數(shù)張開的平板結(jié)構(gòu),平板間距曲線為：

式中,C1,C2為由入口間距和出口間距確定的常數(shù)。

為了實(shí)現(xiàn)阻抗的最佳連續(xù)變化,選擇阻抗變化曲線為喇叭長度的函數(shù)：

式中,k由喇叭的長度決定;Z0為輸入同軸線特征阻抗50 Ω;η為漸近線喇叭出口的特征阻抗,即自由空間阻抗377 Ω;采用指數(shù)曲線的阻抗變化,能夠?qū)崿F(xiàn)良好的阻抗匹配。

平板的特征阻抗由平板寬度與間距共同決定：

由式(2)～式(5)可以得到喇叭的參數(shù)。其中平行板的阻抗為[4]：

由于天線瞬時(shí)承受的瞬時(shí)功率極大,饋線和天線平行板間也可能造成擊穿,因此將天線在d小于300 mm的前端部分浸入耐壓介質(zhì)。

為了和自由空間更好地匹配,將傳統(tǒng)的漸近線喇叭進(jìn)行改進(jìn),在喇叭出口的2個(gè)平板分別增加了3根輻射臂,輻射臂方向與平板出口相切,如圖2所示。這種結(jié)構(gòu)可以對低頻的駐波特性進(jìn)行更好的匹配,減小了喇叭的體積,減輕了重量,加工方便,作為初級輻射器照射天線反射面時(shí)造成的遮擋小,提高了天線的利用效率。

圖2 漸近線喇叭示意圖

2 仿真計(jì)算與測試結(jié)果分析

2.1 仿真計(jì)算

依據(jù)理論計(jì)算結(jié)果,在Ansoft HFSS中建立漸近線喇叭的有限元模型,對其進(jìn)行了仿真計(jì)算,比較了漸近線喇叭平板結(jié)構(gòu)和平板增加輻射臂2種結(jié)構(gòu)的電壓駐波比特性,仿真結(jié)果如圖3所示?？梢钥闯?在不加輻射臂的情況下,頻率小于100 MHz時(shí),電壓駐波比大于6.0,對應(yīng)的電壓反射系數(shù)為0.71,漸近線喇叭不可用。增加輻射臂后,在頻率50 MHz～100 MHz之間喇叭電壓駐波比小于2.5,高頻段的駐波特性基本不變,低頻段喇叭和自由空間得到了良好的匹配。此外,對加臂和不加臂時(shí)漸近線喇叭輻射特性進(jìn)行了仿真分析和比較。如表1所示,由于改善了駐波,增大了天線的電尺寸,輻射臂明顯提高了天線在低頻段的增益,這一效應(yīng)在50 MHz時(shí)尤為明顯。在100～300 MHZ范圍內(nèi),天線增益提高了2 dB以上;在高頻段,由于輻射臂間距大于半波長,輻射臂不能等效與平板結(jié)構(gòu),2種情況下喇叭增益基本相當(dāng)。圖4為漸近線喇叭方向圖。

圖3 漸近線喇叭電壓駐波比

表1 漸近線喇叭增益仿真結(jié)果

圖4 漸近線喇叭方向圖

增加輻射臂的喇叭在頻率150 MHz時(shí),仿真方向圖如圖4所示,其仿真增益為6.2 dBi,滿足設(shè)計(jì)要求。天線H面方向圖對稱性良好,由于輸入傳輸線的存在,天線E面方向圖略有不對稱。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行仿真優(yōu)化,最終確定喇叭參數(shù)如下：入口寬度：w=80 mm,板間距：d=22 mm;出口寬度：W=730 mm,板間距：D=600 mm;喇叭長度：L=500 mm,輻射臂直徑：30 mm。

2.2 測試結(jié)果分析

圖3也給出了實(shí)際加工的漸近線喇叭天線電壓駐波比測試結(jié)果,由圖中可以看出,在整個(gè)工作頻帶內(nèi)喇叭電壓駐波比小于3.0,50～100 MHz喇叭電壓駐波比小于2.5。仿真與實(shí)測結(jié)果吻合良好。

3 結(jié)束語

對于漸近線喇叭天線的理論分析已經(jīng)較為成熟,但在高功率環(huán)境應(yīng)用中仍然有許多具體問題需要解決。在詳細(xì)描述天線工作原理及設(shè)計(jì)方法的同時(shí),針對瞬時(shí)超高功率應(yīng)用要求,對天線各個(gè)部分所采取的耐功率措施進(jìn)行了詳細(xì)描述。天線的電性能仿真和測試結(jié)果吻和良好,實(shí)用結(jié)果表明,各種措施切實(shí)有效。在不影響天線性能的前提下,很好地解決了耐功率問題,在理論、設(shè)計(jì)和實(shí)踐上都具有一定的參考意義。

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