近场宽带电场耦合天线的高频结构模拟器软件仿真及性能分析

近场宽带电场耦合天线是一种新型的短距离、高速无线通信天线,它是索尼公司力推的近距离高速无线通信技术——.Transferjet^TM的工作天线.使用高频结构模拟器软件,对一种典型的近场宽带电场耦合天线进行了参数化的结构设计;通过仿真模拟,分析短截线的线长和线宽,以及耦合电极的面积对天线中心频率和工作带宽的影响;分析了天线间的距离和夹角,以及耦合电极的面积,对天线传输损耗和性能的影响.设计了一个满足Transferjet^TM技术指标的小尺寸天线,给出了性能仿真结果.     

高斯分布圆口径天线辐射近场分析

采用口径场法对具有高斯幅度分布的圆口径天线辐射近场进行了分析。推导了非聚焦和聚焦2种工作方式下圆口径天线轴向近场和增益的解析表达式;采用数值积分方法分析了圆口径天线非轴向近场分布特性。分析表明,对于高斯幅度分布的圆口径天线,天线轴向场在近区为振荡分布,其近场增益与口径面分布和观测点位置有关,通过聚焦可以使近场焦点处增益达到远场增益,大大提高焦点及焦点附近区域的电场幅度。     

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。     

辐射式核电磁脉冲模拟器TEM喇叭天线

针对辐射式核电磁脉冲模拟器采用TEM喇叭天线作为辐射天线时低频辐射能力有限的问题,对板型和线型两种基本形式的TEM喇叭天线进行了分析。在采用线型TEM喇叭天线以减轻模拟器重量的基础上,在天线末端采用螺旋线结构,并增加屏蔽板回路,构造了一种新型TEM喇叭天线。结果表明:与普通线型TEM喇叭天线相比,该新型天线较大地提高了低频辐射性能,可使近场波形脉宽提高7ns左右,峰值场强提高了1kV/m左右;通过增大螺旋线半径和提高螺旋线密度可以提高峰值场强,增加近场波形脉宽;通过屏蔽板回路可以降低反射波纹的波峰从而改善近场波形。     

天线方向系数的一类计算逼近方法

天线的方向系数是天线的核心性能指标之一,准确计算方向系数是高性能天线应用的核心要求.本文基于平面近场测试理论、实测数据和快速傅里叶变换算法,系统阐述基于近场测试来数值计算天线方向系数的原理,并进行深入的误差分析.本文选择一种方向图函数和方向系数已知的被测天线,来检验所讨论的误差评估方案.评估分两步实现,第一步,针对这一天线,采用标准的近场测试配置,仿真模拟出(相当于实际测量出)一套平面近场数据.第二步,基于这套近场数据,利用数值积分计算出天线方向系数.本文使用或提出了四种数值算法,分析了提出的后三种算法本身的误差来源,并开发出程序搜索方案,确定出后两种算法的最小误差界.随后,利用这四种数值算法分别得出天线的方向系数.结果表明,计算所得的近场方向系数都比真实方向系数大,但误差不超过0.6 d B.这一结果对实际应用中正确评估基于近场测试的天线方向系数准确性有重要参考价值.     

聚焦条件下的高斯波束矩形口径天线近场分析

 采用口径场法对聚焦条件下具有高斯波束的矩形口径天线近场进行了分析,得到了聚焦条件下的近场场强分布与近场增益解析式,并对不同的聚焦位置进行了仿真。结果表明：在近场区,聚焦位置离轴向越近,其场强越强,且增益越大,聚焦位置沿轴向时其场强与增益皆为最大;反之,聚焦位置离轴向越远,其近场场强与近场增益越小。因此,通过聚焦可以显著提高天线口径面场的近场场强与增益指标,从而提高天线系统的有效作用距离。     

60m×20m×10m大尺寸TEM天线传输特性

实验研究了长60m、宽20m、高10m的大尺寸TEM天线的传输特性,其脉冲源采用薄膜开关与天线一体化设计,输出电压幅值可达10kV,上升沿约1.2ns。实测了TEM天线内部的电场分布,研究了该大尺寸TEM天线中电场分布规律,给出了脉冲上升沿与传输距离的关系、脉冲幅值与传输距离的关系,总结了快沿双指数波在天线中传输的高频损耗特性,给出了实验空间的选择方法。研究结果表明:上升沿随传输距离呈线性增大趋势,两极板中间测点增大速度最快,传输50m距离,上升沿增大约1.2ns;电场幅值随传输距离呈指数减小趋势。     

洞穴内二维带状天线的耦合计算

在托卡马克中采用离子回旋共振加热时，为了更好地保护天线，常常把天线地洞穴内，由于不产内的边界条件比较复杂，其耦合计算也相对较难。对洞穴二维带状天线进行了计算。给出了该体制天线的耦合阻抗随天线尺寸的变化关系。     

复合振子天线辐射特性的数值模拟

 讨论了由电单极子和磁振子组合而成的复合振子天线结构和工作原理，用时域有限差分方法模拟了天线的辐射特性，计算了天线从同轴线的馈电效率，对于单极脉冲和双极脉冲馈源，馈电效率分别为65%和81%。给出了天线的电压驻波比、辐射近场和远场、能量方向图等。模拟结果表明：在H面内辐射方向图是轴线对称的，其形状是心型；在E面内，方向图关于轴线不对称，辐射最大值方向向上偏离大约15°。这种天线具有宽带特性和较高的馈电效率，适合于超宽带电磁脉冲辐射的天线阵列的应用。     

天线近场测试软件通用化和多任务设计

随着相控阵天线的广泛应用,对天线近场测试软件技术的开放性、通用性、测试覆盖能力、测试任务执行效率与调度机制、数据分析处理能力的要求逐渐提高。通过研究天线近场测试软件的层次结构、模块组成、内外接口、数据流与存储组织形式以及它们之间的互连与通信机制,研制开发出了开放、通用、模块可裁剪、多任务的天线近场测试软件。通过具体工程应用的验证,满足通用化和多任务的要求,显著提高了天线近场测试的效率。     

车载单极天线的电磁脉冲响应特性

针对车载系统中使用广泛的短波/超短波单极天线,利用CST仿真分析了高空核电磁脉冲对单极天线的耦合响应特性。计算了天线端接的50 Ω负载对电磁脉冲的时频域感应电压信号,研究了电压信号随不同的脉冲入射角、不同车顶面积以及天线不同位置的变化规律。仿真结果表明:馈电点响应电压峰值随着入射脉冲电场矢量与水平夹角的增大而增大,随着车顶对入射脉冲的有效反射面积增大而增大。仿真结果对车辆天线布局方案的定制及天线系统电磁脉冲防护器件的选择具有重要的指导意义。     

超宽带TEM天线的数值模拟

 用数值方法研究了超宽带电磁脉冲源经同轴型传输线输出到TEM天线上的发射问题。TEM喇叭天线的前端是平行板传输线。用时域有限差分方法模拟了超宽带电磁脉冲在平行板传输线和TEM波喇叭中的传输,给出了天线的输入阻抗和电压驻波比随频率的变化关系、天线的辐射场分布以及天线辐射的能量方向图等。     

天线阻抗特性对开关振荡器输出脉冲的影响

以单锥天线和螺旋天线作为开关振荡器辐射天线为例,采用等效电路模型和商业电磁仿真软件,分别对天线末端电压振荡信号和辐射电场脉冲进行了研究。研究结果表明:采用行波天线或者电长度与振荡器一致的振子天线作为辐射天线,都能够产生中心频率与振荡器本征频率一致的电磁脉冲信号;但采用振子天线时,振荡信号持续时间较短(Q值较低),频谱上能量较分散,带宽较宽,而采用行波天线则脉冲持续时间较长(Q值较高),频谱上能量较集中,带宽较窄。     

脉冲电磁波通过偶极天线辐射的物理过程及其数值模拟

在讨论了基于时域有限差分法和完全匹配层技术的数值模拟方法之后,首先从运动电荷和电力线的角度直观地描述了脉冲电磁波的辐射过程,然后进一步从场与电荷相互作用的角度分析了天线上电荷是如何被加速以及如何维持其运动状态的,指出了开放空间中突然出现的时变电场（位移电流）是脉冲电磁波辐射的根本原因．文中还对局部电阻加载的天线和局部弯曲的天线进行了研究,以进一步说明上述观点．对多种情况下的脉冲辐射过程进行了数值模拟,并给出了电场的等高线和空间波形图,这些图形对理解脉冲电磁波的辐射机理非常有益． 关键词：     

冲击脉冲辐射天线辐射场计算及应用

根据由张量法得到的任意线天线电场计算公式,利用镜像法推导,得到冲击脉冲辐射天线辐射电场的时域解析表达式。应用该表达式计算冲击脉冲辐射天线应用于辐射波电磁脉冲模拟器的时域辐射场,并与数值计算进行比较,结果表明:解析计算得到的辐射场波形与数值计算结果吻合较好,因此,利用解析表达式可以方便地观察天线结构参数对天线辐射场波形的影响,从而选取合适的参数以产生符合标准要求的天线场波形。     

Damage effect and mechanism of the GaAs pseudomorphic high electron mobility transistor induced by the electromagnetic pulse

The damage effect and mechanism of the electromagnetic pulse(EMP) on the GaAs pseudomorphic high electron mobility transistor(PHEMT) are investigated in this paper. By using the device simulation software, the distributions and variations of the electric field, the current density and the temperature are analyzed. The simulation results show that there are three physical effects, i.e., the forward-biased effect of the gate Schottky junction, the avalanche breakdown, and the thermal breakdown of the barrier layer, which influence the device current in the damage process. It is found that the damage position of the device changes with the amplitude of the step voltage pulse. The damage appears under the gate near the drain when the amplitude of the pulse is low, and it also occurs under the gate near the source when the amplitude is sufficiently high, which is consistent with the experimental results.     

基于FPGA的电磁脉冲电场测量系统

为了测量纳秒级前沿的电磁脉冲电场,研制了一种基于现场可编程门阵列(FPGA)的宽频带电磁脉冲电场测量系统,该系统采用单极子天线作为电场探头的接收天线,高速AD采集调理电路输出的电压信号,由FPGA接收AD采样的数据并保存至DDR2和FLASH存储器中;分析了系统的整体方案;对系统的信号调理、采集的触发方式、FPGA控制以及干扰屏蔽等关键技术进行了重点分析;通过电场探头、电磁脉冲模拟器、PTEM暗室、衰减器以及示波器进行了性能和功能验证实验;利用软件将电场探头和示波器测得的信号进行处理和对比;实验表明,所研制的电场探头可以测量前沿大于2.5ns、电场强度为0~50kV/m的脉冲电场,系统线性度好,体积小,抗干扰性能好,测量准确性高。     

复合振子天线阵列的数值模拟

 用时域有限差分方法模拟了由复合振子天线单元组成的天线阵列的辐射特性;计算了天线从同轴线的馈电效率，给出了天线阵列的辐射场和能量方向图;比较了不同排列方式下阵列的辐射方向图。模拟结果表明：这种天线阵列具有宽带特性和较高的馈电效率，适合于超宽带电磁脉冲的辐射应用。     

超宽谱电磁脉冲辐射场测量系统

 介绍了一套自行研制的高功率超宽谱电磁脉冲辐射场测量系统，该系统主要由TEM喇叭接收天线、同轴传输线、宽带示波器及微型计算机组成。其中，TEM喇叭上极板为等腰三角形金属板，顶角14°，高60 cm，下极板为80 cm×30 cm矩形金属板，两金属板间夹角为7°，采用同轴线直接馈电方式，馈电点高度1 mm。分析了测量系统的基本理论，采用时域有限差分和离散傅里叶变换相结合的方法对TEM喇叭接收天线的传递函数进行了计算，建立了信号衰减补偿方法。实测了抛物反射面脉冲辐射天线的辐射场，测得主轴上远区辐射场主脉冲波形与辐射天线的激励信号近似成微分关系，当激励信号的前后沿变快时，测得的辐射场也相应增大。测量结果表明，该系统能够反映脉冲辐射场的变化特性，具有良好的波形保真性和宽频带特性。