高功率超宽带脉冲辐射实验装置研制

 研制了高功率超宽带脉冲辐射实验装置。该装置主要由脉冲充电电源、超宽带脉冲产生装置、超宽带脉冲发射天线三部分组成。达到的主要指标为：脉冲电源输出电压600 kV、重复频率100 Hz；脉冲压缩输出峰值功率约10 GW、脉宽1.2 ns；在辐射天线轴上220 m处，辐射峰值电场16.1 kV/m、等效辐射功率0.42×10¹² W；辐射场E面方向图半功率宽度为8°，H面方向图半功率宽度为9°。     

S波段高功率径向线输出窗的设计

为进一步改进和优化高功率径向线阵列天线的拓扑结构,提高功率容量水平,并满足馈源的真空密封需求,提出并设计了一种适用于高功率径向线阵列天线的微波输出窗。该高功率径向线输出窗采用圆环形陶瓷,材料介电常数为9.4,窗片厚度为3 mm,内径为36 mm,可实现径向线阵列天线馈电系统的输入同轴波导与输出同轴波导间的真空密封。设计结果表明:在中心频率为2.856 GHz下,该径向线输出窗驻波比为1.03,插入损耗为0.17 dB,设计功率容量约150 MW。     

高功率超宽谱双反射面天线优化设计与实验

对高功率超宽谱双反射面天线系统进行了优化改进设计,兼顾辐射性能、馈入反射和功率容量。采用沿能流线设计的粗胖实体结构代替板状TEM喇叭极板结构,增加低频电流的回流通道,从而改善天线馈入反射特性。将副反射面设计为尼龙箱体内、外两部分,使其与尼龙箱体之间的连接螺钉不再突出于高压电场中,优化后最大场强下降了约70%,功率容量达到59 GW,通过Taguchi优化算法对组合馈源喇叭结构进行整体优化,天线辐射因子rE(辐射场峰值与观测点距离乘积)提高了1.2倍。优化后的天线系统进行了高功率实验,实验结果表明:天线系统功率容量达到30 GW,辐射因子超过8 MV。     

一种高功率微波宽带紧耦合偶极子阵列天线

提出了一种新型高功率微波宽带紧耦合偶极子阵列天线。在常规的紧耦合偶极子阵列天线的基础上,该阵列天线通过采用全金属结构设计、天线匹配层和密封层一体化设计以及调节天线结构的手段,获得了宽带高功率性能。仿真结果显示,在0.8～4.0 GHz的范围内,天线未扫描时的驻波比小于2;在16 mm×32 mm单元尺寸内和1个大气压的SF6气体中,功率容量达到0.12 MW;以该单元天线组成10×10阵列,100个单元总尺寸仅为160 mm×320 mm,在1个大气压的SF6气体中,功率容量可以达到12 MW,另外,该天线可实现45°的宽角扫描。该阵列天线的提出为实现高功率微波宽带天线的宽频带、大角度扫描、紧凑化、小型化以及低剖面化提供了参考。     

电-磁振子组合型宽带高功率微波辐射天线仿真与设计北大核心CSCD

为了满足宽带高功率微波辐射系统紧凑化的需求,设计了一个口径面尺寸为20cm×20cm 的电 磁振子组合型天线,采用三维全波电磁场仿真,得到该天线在0.3～1.7GHz 带宽内的驻波比小于3,且在此带宽内天线增益均大于2.仿真分析了该天线结构的尺寸、电流环长度以及天线开口角度对电 磁振子组合型天线阻抗带宽和增益的影响.在此基础上,给天线馈入峰值为226kV 的宽带信号,仿真得到天线的最大辐射因子为150kV,等效峰值功率为358.8 MW,辐射效率约70.6%.仿真结果表明：组合振子天线能够满足宽带高功率微波的辐射要求,同时满足辐射系统紧凑化和高辐射效率的要求.     

无人机机载天线高功率微波耦合响应研究

无人机易于受到高功率微波干扰和损伤,无人机机载天线是高功率微波干扰的重要耦合途径。为了研究无人机机载天线高功率微波耦合响应,以数据链天线和导航接收机天线为研究对象,根据无人机实际布局,建立高功率微波辐照下无人机机载天线的耦合模型,通过仿真天线辐射模型远场辐射方向图及S11参数验证天线模型的准确性,得到不同辐照场景和高功率微波辐射场参数下数据链天线和导航接收机天线端口的耦合电压,并进行了典型场景试验验证,结果表明：L波段高功率微波辐照下数据链天线的耦合电压较S、C和X波段更高,相较于水平极化,垂直极化辐射场对无人机数据链的干扰效果更佳,耦合电压与辐射场强成线性关系,受脉宽和前沿的影响较小;空中高功率微波辐照场景下导航接收机天线的耦合电压较地面高功率微波辐照场景更高,该研究将在高功率微波武器打击无人机方面提供理论参考依据。     

X波段高功率微波辐射场测量角锥天线特性

 利用电磁仿真软件模拟了不同结构角锥喇叭天线的增益特性,选择了增益较低的角锥喇叭天线作为X波段高功率微波测量天线。同时,对角锥喇叭天线电磁脉冲响应、有无法兰和有无直波导进行了数值计算和实验研究。数值计算结果表明：角锥喇叭天线不会对20 ns短脉冲波形产生大的影响,能够用于短脉冲测量;法兰和300 mm直波导对角锥喇叭天线增益的影响小于0.2 dB。实验结果表明：角锥天线增益随频率变化无振荡现象,300 mm直波导对角锥喇叭天线增益的影响小于0.2 dB,方向图主瓣宽度约为50°,适用于测试环境较复杂的高功率微波辐射场测量。     

大气击穿对高功率微波天线的影响

 高功率微波大气传播过程中，天线附近的功率密度最大，容易发生强电离或大气击穿，由此产生“尾蚀效应”等非线性衰减，因此，传输过程中产生的大气击穿限制了高功率微波天线的最大发射功率。通过分析天线近场模型，研究了矩形口径天线和圆口径天线的近场轴向功率密度分布，得到了不同口面场分布下天线的最大归一化功率密度及其最大值所处的位置，并结合大气击穿功率密度阈值计算出锥照圆口径天线的最大发射功率约为148.47 GW。     

宽带高功率贴片天线优化设计与实验

研制了中心频率为300 MHz的宽带高功率贴片天线,并进行了高功率实验研究。采用Taguchi全局优化算法对双层贴片天线的结构参数进行优化设计,使其驻波比小于3的带宽达到60.2%,最大增益8.1dB。为提高其功率容量,对贴片、介质基底和馈电结构进行了改进和相应的绝缘设计。小信号测试结果与理论计算吻合,实测带宽达到64.2%。高功率实验中,馈入峰值89 kV和-81 kV的双极的脉冲,辐射因子达到75.2 kV,等效峰值辐射功率为188.5 MW,辐射场频谱的3 dB带宽为46%,实测能量方向图与模拟结果相符,半能量角宽约为90°。     

X波段高功率宽频带双螺旋反射阵列天线的设计

为了提升高功率微波辐射天线的带宽,提出并设计了一种X波段高功率圆极化反射阵列天线,该天线采用喇叭天线作为馈源,阵列天线单元由可旋转金属双螺旋线构成,通过旋转螺旋线可以实现360°的相位补偿,同时反射损耗极小。设计了15×15矩形栅格螺旋反射阵列天线,全波仿真结果表明:该口径为315 mm的阵列天线在中心频点9.3 GHz下,增益为28 dB,轴比为0.53 dB,口径效率为52.6%;在8.5~10.9 GHz的频带范围内增益大于26.8 dB,轴比小于1.14 dB,1 dB增益带宽和40%以上口径效率带宽均大于21%;在真空中所能承受的最大功率约为207 MW。     

高辐射效率超宽谱脉冲辐射天线的设计与实验

设计了一种采用共面TEM馈电结构的抛物反射面超宽谱脉冲辐射天线,分析了该种馈电结构的阻抗特性与辐射特性。实验表明当馈入电压为3kV、前沿180ps的超宽谱脉冲时,该天线主轴辐射场测试距离与峰值场强之积平均值达到18.3kV,相较于常用的TEM喇叭馈电的超宽带反射面天线,其辐射效率有了显著的提高。     

阵馈抛物柱面天线合成超宽带高功率微波

在时域推导了超宽带脉冲空间功率合成的条件,得到了多路脉冲信号在极化方向相同,幅度、波形一致的条件下,可实现最大化功率输出的结论。基于此提出了一种阵馈的抛物柱反射面天线。采用10喇叭单元叠状排列形成一维馈源阵列放置于焦线上,照射抛物柱反射面后形成相干脉冲,在主轴方向合成超宽带高功率微波波束。仿真结果表明,该阵馈天线较最优口径的单馈源天线,远场辐射功率密度提高了87倍以上,且波束宽度由66°减为8°,实现了超宽带高功率微波的高效空间功率合成。     

超宽带双脉冲辐射天线

研究了一种高功率超宽带双脉冲辐射天线,其设计思想为:辐射天线辐射两路不同脉宽的超宽谱电磁脉冲,且两路脉冲在时间上有一定延时,从而达到拓宽辐射场频谱宽度的目的。设计了一种采用三馈源的半抛物反射面超宽带天线,并对其进行了数值模拟与实验研究。采用短时傅里叶变换对辐射组合脉冲进行了联合时频分析,结果表明该天线能有效辐射双路不同脉宽的超宽谱脉冲,双脉冲辐射场的频谱宽度比单脉冲辐射场有了明显的拓宽,验证了采用双脉冲辐射是拓宽辐射场频谱的有效方法。     

TEM喇叭天线脉冲辐射特性

采用时域有限积分法（FIT）对相同几何口径尺寸下不同长度TEM喇叭天线的主轴辐射特性进行了研究,分析了有限长TEM喇叭天线与理想（无限长）TEM喇叭天线主轴辐射场存在差异的原因,导出了有限长TEM喇叭天线主轴辐射场在接近理想TEM喇叭天线辐射场条件下天线长度与激励脉冲宽度（或脉冲上升时间）之间的关系。在此基础上,根据文献中的研究结果,并结合激励脉冲波形,给出了TEM喇叭天线几何参数的优化设计方法。     

超宽带折线型TEM喇叭天线实验研究

基于功率容量和口径匹配的考虑,设计了一种超宽带折线型TEM喇叭天线。相比传统恒阻抗TEM喇叭,主要改进在于采用了同轴到平板过渡的馈入结构,辐射极板改为两段折线形式。通过理论模拟和实验研究对两种天线的输入、辐射特性进行了比较和分析。结果表明:采用960ps宽度的高斯脉冲激励,同轴平板过渡峰值功率传输效率达到85%;相比于恒阻抗喇叭,折线TEM喇叭辐射峰值电场提高30%,H面方向图主瓣宽度由80°压缩至60°,同时改善了700 MHz频带内的传输辐射特性,瞬态脉冲峰值功率容量达到15GW。     

切比雪夫渐变线TEM喇叭天线数值模拟

设计了一种采用切比雪夫渐变线的TEM喇叭天线,分析了其工作原理,采用数值模拟的方法研究了其阻抗特性、传输特性与辐射特性,并在不同的馈入脉冲下与常用的线性渐变TEM喇叭天线进行了性能对比。结果表明:切比雪夫渐变线TEM喇叭天线具有低反射、高带宽和高辐射场强的优点,其性能要明显优于线性渐变TEM喇叭天线,且馈入脉冲越宽,性能越明显。分析了最大反射系数对切比雪夫渐变线TEM喇叭天线辐射性能的影响,馈入脉冲越窄时,宜选择反射系数越大的辐射天线。     

高功率超宽带同轴双锥天线的设计和实验

 用口径场的方法对有限长同轴双锥天线进行了分析和设计。同轴双锥天线能工作在电压±100kV、重复频率100Hz、单周期脉冲全底宽3.6ns和输出阻抗50Ω的超宽带脉冲辐射源上,辐射功率大于100MW;天线带宽150MHz～1GHz;输入阻抗50Ω。E平面和H平面平行极化半功率点全宽度分别为50°和360°;天线的功率效率约为65%。     

小型超宽谱高功率微波辐射系统

小型超宽谱高功率微波辐射系统由Tesla型100 kV级ns脉冲源、Peaking-Chopping型亚纳秒气体开关及TEM喇叭天线构成。系统重复运行频率100 Hz,辐射因子rEp值75 kV,主轴辐射场中心频率520 MHz,-3 dB频谱范围230~810 MHz。系统集成于一便携箱内,体积为80 cm50 cm26 cm,质量约45 kg。该系统结构紧凑,能够快速展开和撤收,可方便用于超宽谱高功率微波应用技术研究。     

宽波束双馈源超宽带抛物面天线设计与仿真

 针对单馈源超宽带抛物面天线波束较窄的问题，设计了一种宽波束双馈源超宽带抛物面天线。该抛物面天线是由一个普通的抛物面从中间对称分式，并在中间以平板连接而成的。馈源采用改进型平面TEM喇叭天线，同轴垂直馈电方式。两个馈源分别置于抛物面的两个焦点上。并利用时域有限差分数值方法分析了该天线的辐射性能。通过改变抛物面的结构，调节双馈源与天线主轴的夹角等方法可以有效改善天线的辐射性能。结果表明，所设计的宽波束双馈源抛物面天线可以在远区更宽的空间上形成峰值功率比较均匀的电磁脉冲，在不降低峰值功率的前提下有效地增加了波束的宽度；在抛物面天线两边进行少量切割不会对辐射场产生明显影响，节省了空间。