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。     

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。     

用于宽带高功率微波辐射的双层贴片天线特性

 研究了用于宽带高功率微波辐射的双层贴片微带天线输入阻抗带宽和辐射特性,提出一种适合于高功率微波辐射的圆锥传输线馈电结构以减小传统馈电探针的引线感抗,使天线的功率容量提高到百MW级,同时作为同轴线到径向传输线的过渡变换,使反射系数降低近50%。通过数值计算分析了不同的介质基底厚度组合和贴片尺寸对天线带宽的影响,优化参数后的天线带宽达到了34.9%(电压驻波比小于3),带内平均增益高于6.5 dB,最大增益8.3 dB,主辐射方向上的远场辐射因子与馈入宽带脉冲幅度比值大于1.3。分析了天线的功率容量,模拟计算表明该天线可用于辐射幅值300 kV的宽带高功率微波。     

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°。     

L波段高功率波导缝隙阵设计与数值模拟

设计了一种基于宽边纵缝驻波阵的高功率射频微波辐射系统,系统由四路矩形波导以及聚四氟乙烯天线窗组成。天线内采用真空绝缘实现天线高功率容量,天线窗真空侧采用周期刻三角槽技术抑制高功率微波介质表面击穿。在波导缝隙阵与天线窗之间设计支撑板,除支撑天线窗外还可抑制表面波电流。采用HFSS数值模拟软件对辐射系统进行了优化设计。数值模拟结果表明,设计的辐射系统在频率为1.575 GHz时,增益为22.7 dBi,天线口径效率为98.3%,反射系数为-25 dB,带宽达到5%,带宽内天线增益波动小于等于0.4 dB、天线口径效率大于等于98%、主瓣指向偏差小于等于1.2。系统功率容量达到1.92 GW。     

高功率双频宽谱平面倒F天线设计分析

设计了一种双频带的高功率宽谱平面倒F天线。在矩形贴片上开L形槽实现天线双频辐射。采用圆锥过渡实现同轴馈线到平板之间的宽带阻抗匹配;通过折叠振子电容加载和合理增加天线高度和宽度实现天线宽带设计。经过优化设计,实现了274 MHz和680 MHz的双频输出,反射系数S11不超过-6dB的低频带宽和高频带宽分别达到14.6%和20.1%。天线的低频和高频增益分别达到4.4dB和4.6dB,对应辐射效率分别达到98%和99%。主辐射方向上的低频和高频远场辐射场与距离乘积与馈入宽带脉冲幅度比值分别为1.07和1.14。对天线的高功率容量进行了设计,将天线置于充0.2 MPa压力SF6气体的增强尼龙箱体中,天线可承受200 MW宽谱高功率微波。     

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。     

一种高功率共面馈电脉冲辐射天线的设计实验

设计了一种高功率共面馈电脉冲辐射天线。该天线馈源采用双组电大尺寸共面极板馈臂,将馈电点置于焦点处,与直径2.1 m的抛物反射面相配合,实现超宽谱短脉冲的有效定向辐射。提出了一种由同轴输入到4端输出的高功率馈电巴伦,解决了高功率情况下同轴线到4馈臂共面馈电问题。对所设计天线进行测试实验,结果表明:在馈电脉冲宽度为450 ps、峰值电压为142 kV时,辐射因子达到800 kV。     

加脊TEM喇叭初步研究

针对恒阻抗TEM喇叭的上下面板电流分布不对称,采用小反射理论和阻抗渐变思想并通过设计脊结构对恒阻抗TEM喇叭进行了改进,研制了加脊TEM喇叭。仿真及实验研究结果表明:对于脉冲宽度约为1 ns的高斯脉冲,通过加脊在一定程度上改善了恒阻抗TEM喇叭上下面板电流分布的不对称性和E面辐射电场的不对称性;相对于相同口径的恒阻抗TEM喇叭,加脊TEM喇叭作为辐射天线和反射面脉冲天线馈源时系统的主轴远场辐射因子均有提高。     

TEM喇叭馈源与共面馈源脉冲辐射天线性能比较

在反射面尺寸一定的情况下,优化设计了 TEM喇叭馈源与共面馈源脉冲辐射天线,并对比了两种天线的辐射性能。分析了反射面型脉冲辐射天线的工作机理,通过准静态近似,分别得到了两种天线的远区辐射场解析解。通过理论求解,得到了两种馈源在反射面口径造成的场分布,为天线结构设计提供参考。通过分析不同脉冲宽度时两种天线的辐射情况,比较了这两种馈源性能的优劣。完成了上述两种GW级高功率高效率馈源的研制,并开展了对比实验,实验结果与理论分析相吻合。     

100MW重复频率超宽带脉冲辐射源的实验研究

 介绍了利用充氮气自击穿开关产生双极脉冲, 并通过同轴双锥天线辐射的实验研究。实验获得电压约±100kV, 脉冲宽度小于等于3.6ns, 工作频率单次、10Hz和100Hz的双极脉冲;同轴双锥天线带宽150MHz～1GHz, 峰值功率辐射效率达65%。     

高功率楔形介质填充天线设计

 针对高功率超宽带天线应用中的绝缘性及方向性等关键问题,设计了一种基于TEM喇叭天线形式的楔形介质填充天线,并利用时域有限差分数值方法分析了这种新型介质填充天线的辐射性能。数值模拟与测试结果表明,所设计的这种楔形介质填充天线不仅可以满足高功率天线的绝缘性要求,而且在主轴方向上具有较强的辐射场。     

1GW超宽带单周期脉冲辐射源实验研究

 利用600kV铁芯充电脉冲变压器和压缩开关,作为初级脉冲功率系统和亚纳秒单开关技术,产生了峰值功率1.6GW、脉冲全底宽5.5ns的单周期脉冲,可在高于20Hz重复 频率下稳定运行。设计了同轴双锥天线,辐射功率大于500MW。初步掌握了产生和辐射高峰值功率超宽带脉冲的绝缘和能量损耗,特别是50Ω超宽带负载设计等技术难题。     

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°。     

超宽带Cassegrain双反射面天线研究

 为了减小馈线损耗和方便天线旋转，设计了超宽带Cassegrain双反射面天线系统。采用FEKO数值模拟软件在0.2~1.5 GHz频率范围内模拟了不同副反射面直径的4.5 m双反射面天线(焦径比为0.4)的辐射增益，并与相同口径和焦径比的前馈式反射面天线进行了比较。模拟结果表明:当双曲副反射面直径为70 cm，焦距为22.5 cm时，在0.2~1.0 GHz频率范围内，双反射面天线增益比前馈式抛物面天线高1～2 dB；在1.1～1.5 GHz频率范围内，双反射面天线增益比前馈式抛物面天线小1～2 dB。选择直径为70 cm、焦距为22.5 cm的双曲副面与TEM喇叭和4.5 m抛物面组成双反射面天线系统，分别用960 ps和3 ns脉宽的单极脉冲源对天线进行了实验研究。实验结果表明:用960 ps和3 ns脉宽的单极脉冲激励，Cassegrain双反射面天线在70 m轴上远场辐射场波形峰峰值分别为前馈式反射面天线的158%和162%。     

高功率超宽谱辐射源实验研究

 对高功率超宽谱辐射源的参数进行了理论分析设计,对高压电源、脉冲产生、阻抗变换及传输线、天线等各部分的具体参数进行了分解匹配。根据理论计算结果,设计了一套高功率超宽谱辐射装置并进行了实验研究,对输出功率、辐射效率等进行了调试,在2.7 Ω负载上获得脉冲输出功率超过30 GW、脉冲宽度1.6 ns,通过超宽谱Cassegrain双反射面天线辐射,等效辐射峰值功率超过2×10¹² W,辐射因子超过8 MV,H面与E面3 dB宽度分别为2.35°和2.27°。     

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%。     

具有高隔离度的双陷波超宽带多入多出天线

提出了一款具有高隔离度的双陷波超宽带多入多出(UWB MIMO)天线。该天线由两个相同的半切超宽带天线单元倒置构成。通过在天线底板刻蚀栅栏型缺陷地解耦结构,使该MIMO天线的隔离度提高至25 dB。此外,在天线半圆形辐射贴片上刻蚀两个方向相反的"L"型缝隙,实现了双陷波的功能,分别抑制了802.16无线城域网WiMAX(3.2~3.7 GHz)和WLAN(5.15~5.85 GHz)信号对天线系统的干扰。实验结果表明,该天线在3~11 GHz工作带宽内的隔离度大于25 dB,包络相关系数(ECC)小于0.004;第一个陷波频段为3.0~3.7 GHz,第二个陷波频段为5.1~5.85 GHz,有效抑制了WiMAX和WLAN的信号干扰。     

高功率超宽带变压器油透镜天线设计与仿真

将TEM喇叭天线密封进填充变压器油的尼龙天线罩中,只要合理设计尼龙天线罩外形,使变压器油形成聚焦透镜,不仅能提高天线的功率容量,还能改善其辐射特性。基于变压器油的缩波效应和椭球的几何性质,借助几何光学理论,设计了一款具有聚焦能力的椭球变压器油透镜。变压器油的缩波效应能够增大TEM喇叭天线电尺寸,使TEM喇叭天线的辐射特性得到初步改善,透镜的聚焦能力使天线的定向性得到进一步改善。为了验证理论分析的正确性,另外设计了一款不具有聚焦能力的球状变压器油透镜作为参照,两款透镜天线仿真结果与理论分析吻合。与大气中的TEM喇叭天线相比,椭球变压器油透镜使TEM喇叭天线主波束变窄,远场电压峰峰值提高56.97%,阻抗带宽低频端从0.28GHz扩展到0.2GHz,功率容量达到18.43GW。