超宽带脉冲渐变式同轴到平板过渡结构研究

由于纳秒级的脉冲信号在平板结构传输中，辐射损较大，因此对于瞬态脉冲信号的传输一般采用同轴结构。超宽带脉冲信号的辐射较常采用TEM喇叭天线，由两片三角形的平面极板构成。对于应用TEM喇叭（或将其作为抛物面天线馈源）辐射高功率超宽带脉冲信号，一个重要的问题是如何将高功率脉冲信号由同轴传输线过渡到平板结构天线。     

超宽带天线中同轴到平板过渡研究

 从理论上分析了渐变式传输线阻抗变换的反射与频率的关系，进而分析了同轴到平板过渡的电压驻波比关系式； 用3维FDTD方法动态模拟了瞬态脉冲信号在同轴到平板过渡中的传输过程，分析了信号在过渡中的损耗，设计了具有高功率容量的渐变式同轴到平板过渡和TEM喇叭天线，对渐变式同轴到平板过渡的反射和带过渡结构的天线方向图进行了测量。实验表明瞬态脉冲信号经过同轴到平板过渡没有产生畸变，适当选择过渡长度可使脉冲传输效率大于85%。实验结果验证了理论和数值模拟的结果。     

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。     

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。     

分布式阻抗末端加载的TEM喇叭天线设计

基于功率容量和口径匹配扩展低频工作带宽两方面的考虑,设计了一种具有分布式阻抗末端加载结构的超宽带TEM喇叭天线。首先,对渐变式同轴-平板的巴伦结构进行了优化设计,扩展了馈电结构的工作带宽,提高了馈电效率;其次,对指数型TEM喇叭天线末端进行了分布式阻抗的匹配设计,其端口特性和辐射特性均得到了明显改善,并采用功率方向图和能量方向图对天线的辐射效果进行评估。实验结果表明,相对于指数型TEM喇叭天线,加载分布式阻抗匹配末端结构后,天线低频带宽展宽了330 MHz,天线主轴辐射电场峰峰值提高了10%,馈电效率提高了17%。     

高功率超宽带脉冲辐射实验装置

对高功率超宽带脉冲辐射实验装置的理论分析、工程设计及实验等分别进行了介绍。高功率超宽带脉冲辐射实验装置主要由脉冲充电电源、超宽带脉冲产生装置及超宽带脉冲发射天线三部分组成。脉冲充电电源为脉冲产生装置提供充足的前级能源；超宽带脉冲产生装置包括高压储能电容、高压开关、充电电感、低阻脉冲形成线、亚纳秒开关和高功率负载等部分；超宽带脉冲发射天线包括阻抗变换、传输线、同轴到平板过渡段、TEM喇叭馈源、透镜及密封腔、4．5m抛物面等部分。     

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。     

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%。     

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。     

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。     

高功率超宽带馈源设计与实验

针对大型抛物反射面天线中的高功率超宽带馈源, 提出一种恒阻抗不平衡-平衡转换结构(巴伦)加切比雪夫渐变线TEM喇叭的馈源设计方法, 采用数值模拟研究了其阻抗特性、传输特性与辐射特性, 并进行了测试实验。结果表明:该种馈源结构在较小的体积下具有低反射、高带宽和高馈电效率的优点。该馈源已成功应用于大型高功率抛物反射面天线。     

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。     

TEM喇叭超宽带接收特性分析

 采用时域有限差分（FDTD）和离散傅里叶变换（DFFT）相结合的方法计算了不同长度及不同张角TEM喇叭接收天线的传递函数及灵敏度，采用最大相对误差和相对平均偏差分析了TEM喇叭超宽带接收的波形保真性与其几何尺寸之间的关系。分析结果表明：在设计高灵敏度及高波形保真性的超宽带TEM喇叭脉冲测量天线时，对TEM喇叭的张角和长度应进行折衷考虑。     

L波段金属光子晶体TEM-TE_(11)模式转换器实验研究

介绍了光子晶体模式转换器将TEM模转换为TE11模的验证实验测试结果。数值仿真得到中心频率1.31GHz上,该模式转换器转换效率大于99%;在1.27~1.376GHz频率上,模式转换器效率大于90%,相对带宽为8.1%。先后对其开展了微波暗室中的冷测实验以及在加速器平台上的热测实验,实验测试的辐射方向图结果与数值计算结果基本一致,输出微波模式均为典型的TE11模分布。热测实验表明所设计的模式转换器具有GW级功率容量。     

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。     

线框馈电抛物反射面高功率电磁脉冲辐射天线

 研制了一种由高功率宽带模式转换结构、导电线框TEM喇叭馈电结构及抛物反射面构成的天线,用其辐射高功率亚纳秒电磁脉冲。时域测试表明,在半宽为700ps、峰值电压为200kV脉冲激励下,天线的主瓣宽度约为±3.8°,辐射效率约为37%。     

超宽带TEM喇叭天线优化设计与实验

针对用于成像雷达系统的超宽带TEM喇叭天线进行了优化设计,兼顾辐射性能、馈入反射和小尺寸条件,采用平滑渐变结构和加载技术代替原设计,增加了低频电流的回流通道,从而改善了天线的低频特性,增强了其定向辐射能力。在理论分析的基础上对其进行了仿真,并按照仿真结果实际制作了一副天线,对天线进行了测试。仿真与实测结果表明:在电压驻波系数小于2时,该天线具有11∶1的阻抗带宽,较强的辐射能力和良好的定性辐射特性,能够满足雷达系统的需求。