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1、refTangT高功率微波天线现状高功率微波天线高功率微波( High Power Microwave, HPM) 或称高能微波, 一般指峰值功率在100MW 以上, 工作频率在0.5- 300GHz( 相应波长300mm- 10mm) 的电磁波。超宽带(UWB) 脉冲由于其脉冲窄, 频谱含量丰富, 可用于冲激雷达、电子干扰等方面。这种宽频谱(相对带宽大于100% ) 脉冲一直是天线领域研究的课题, 目前的超宽带天线是普通天线形式的直接外推, 只是为了耐高压作了某些改进。高功率超宽带天线的问题是色散和与源的匹配问题。传统的宽带天线有行波天线、非频变天线、喇叭天线等几种类型组成。这些传统的宽带天

2、线一般没有一个统一的相位中心，由天线结构不同的部分来决定不同频率信号辐射的相位中心。因此，用传统的宽带天线来辐射频谱较宽的超短脉冲信号将带来波形的失真。超宽带(UWB)天线的研究仍处于不成熟的发展阶段，人们对UWB天线的认识局限于部分易于实现宽带特性的传统单元天线上;另一方面国际上对于超宽带天线参量的定义尚未形成统一的物理认识，从而造成了许多概念模糊，缺乏可比性的弊病。究其原因在于超宽带天线要求在时域内描述天线特性的基本参量，时域的分析方法也远不比频域成熟。1.研究现状1.1 国外研究现状美国从事超宽带天线研究的主要有Phillips国家实验室，Sandia国家实验室，Power Spectr

3、a公司和Farr Rresearch公司。Phillips国家实验室总体负责高功率脉冲技术研究，研制了H系列高功率气体开关源。现在正在研制H-4型，预计输出2兆瓦，峰值功率100GW脉冲上升沿130皮秒，脉宽250皮秒。Ppower Spectra公司为Phillips国家实验室研制了GEM系列高功率脉冲源，采用雪崩固态开关技术（BASSTM），共研制了2代，GEM采用24天线阵，GEM采用812天线阵元采用矩形喇叭，可在30o范围内扫描。为了解决低频能量辐射不足的问题，准备换用TEM喇叭作阵元。该天线阵列产生了约1纳秒，1吉瓦的辐射功率，重复频率10KHZ，在离天线12米处辐射电场达到170

4、KV.M-1。Sandia国家实验室研制了同轴三角形TEM喇叭天线，天线末端使用椭球形Tteflon棱镜将球面波前转换成平面波前，天线尺寸为80cm30.5cm12.7cm，馈电巴伦由同轴接头，不平衡平行板线，平衡平行板线构成，低功率条件下测试其发射脉冲FWHM宽度达到23皮秒。Farr Rresearch公司研制了两个反射镜脉冲辐射天线和一个棱镜脉冲辐射天线，抛物面反射镜，两个反射镜直径分别为23cm和46cm，馈源采用4避垂直交叉圆锥TEM喇叭，输入阻抗200。棱镜脉冲辐射天线由聚乙烯填充的圆锥TEM和椭球面棱镜构成，50馈电。俄罗斯大电流电子学研究所和电物理研究所，开展了哈姆斯提出的大电

5、流辐射器，TEM天线和组合天线阵列的研究，功率辐射效率达到70%。乌克兰国家科学研究院无线电物理和电子研究所也开展了大电流辐射器的研究。今后的研究向更短的脉冲，更宽的频带，更高的功率，效率和重复频率发展。1.2国内研究现状西北核技术研究所研制了线框馈电反射面高功率电磁脉冲辐射天线，由同轴馈线，高功率宽带模式转换结构，小TEM喇叭-导电线框级联馈电结构，抛物反射面（D=2m, ）,绝缘机构，支撑和方位调节机构等构成，其中高功率宽带模式转换器是同轴线以一定的角度（相对TEM喇叭轴线）直接与喇叭喉部相连接，同轴线末端内导体伸展成椎体结构与TEM喇叭上极板相连，该转换结构可以承受重复频率100Hz，前

6、沿370皮秒，宽度为700皮秒，峰值电压为200千伏的亚纳秒脉冲的超宽带，辐射波束主瓣宽度约为3.8o,辐射效率约为37%，增益17.5Db。九院研制了同轴双锥天线，由一段匹配过渡同轴结构，内导体外径19毫米，外导体内径44毫米，输入阻抗50，输入传输线内填充3.5MPa的氮气，再天线输入端加密封和绝缘结构，天线内外锥之间填充0.2MPa的SF6气体，天线内外锥半锥角分别为20.5o和45o,外锥长75cm，内锥长77cm，均由铜板制作。测得天线的电压驻波比小于3的高频点是1GHz,低频点250MHz,在150250 MHz频段内驻波大于3小于4。将天线接在电压100KV，重复频率100Hz，

7、单周期脉冲全底宽3.6纳秒和输出阻抗50的超宽带脉冲源上，测得辐射功率大于100兆瓦，E面和H面平行极化半功率点全宽分别为50o和360o，效率约为65%。国防科大研制了加脊圆锥TEM喇叭和平面TEM喇叭，前者用于冲激雷达实验系统，后者用于超宽带合成孔径雷达实验系统。在低频测试条件下，圆锥加脊TEM喇叭具有良好的波形保真能力，平面TEM喇叭工作带宽200一8OOMHz，外形尺寸670mm X 734mm X50mm，采用U形巴伦平衡馈电. 在10个倍频程范围内电压驻波比小于1.7，即使在低频端(170MHz) 辐射仍然具有sdB左右的前后比。超宽带脉冲产生装置包括高压储能电容、高压开关、充电电

8、感、低阻脉冲形成线、亚纳秒开关和高功率负载等部分,通过采用低阻抗脉冲达到有效提取能量、提高系统能量效率的目的。重复频率高压脉冲充电电源在500 ns 内将高压储能电容C(350 p F) 充电到600 kV 。高压开关K1 导通,电容通过谐振充电对高阻脉冲形成线TL1 (阻抗Z1 ) 进行充电; TL1 上电压达到峰值后开关K2 导通,利用传输线的充电技术,使高阻脉冲形成线TL1 对低阻脉冲形成线TL2 (阻抗Z2 ) 进行充电;然后在低阻抗(阻抗Z2 ) 下形成高压冲击脉冲,再经过后沿锐化开关,得脉冲功率约10. 7 GW ,脉宽小于2 ns。此后通过传输线输出给匹配负载,或通过阻抗变换、脉

9、冲传输到达天线。脉冲产生装置原理图见图 。2.几种高功率宽带天线2.1. 偏置双反射器卡塞格伦天线天线如图1 所示, 主要设计参数如表1 所列。天线波束扫描仅通过移动副反射器实现。表1 偏置双反射器卡塞格伦天线参数天线设计参数( 频率: 3GHz)主反射器参数( 抛物面或赋形表面)副反射器参数( 双曲面或赋形表面)馈源形式口径D=33Ds=10.2角锥喇叭焦距F=33Hs=8H=30H 为偏置焦点离主反射器中心的高度, Hs 是偏置焦点离副反射器中心的高度。图2 是HPM单喇叭馈电系统的组成框图。为了克服高功率电平可能造成的空气击穿, 采用抽真空的传输波导。为了在喇叭的出口处提高抗击穿能力即增

10、加击穿场的强度, 在真空和外部空气介面之间放一个装着SF6(sulfur hexa fluoride, SF6)气体的聚乙烯容器。SF6 容器的尺寸由内外场强的大小决定, 真空容器和SF6 气体接触面是隔离的。表2 单锥形喇叭馈电设计a0.8636b0.4318A4.7041B4.4718喇叭长度15.0548喇叭张角7.27(H 面), 7.64(E 面) 喇叭几何结构如图3 所示, 设计参数如表2 所列。最终喇叭口径面积大于20.552, 这是1GW峰值功率对应的电场3MV/m 的最小口径。表3 列出了对单喇叭馈电的反射器赋形的结果, 从中可以看出反射器赋形的效果。表3 单喇叭馈电反射器赋

11、形前后性能比较反射器类型轴向方向性系数天线效率主反射器副反射器抛物面双曲面37.9dBi57%抛物面赋形面38.7dBi70%赋形面赋形面39.0dBi75%2.2 车载扭转反射器天线如图6 所示。工作在L 波段的天线安装在汽车顶上, 可以快速折叠和展开。汽车有自备马达, 向天线提供高能微波源。天线系统由传输波导、馈电喇叭、主反射器、辅助扭转反射器组成。波导是高真空的。馈源呈金字塔型, 壁较厚。喇叭的输出口上有透波的丙烯酸塑料涂层, 波长23 厘米时, 涂覆厚度为3 英寸。主反射器是由许多相互隔离的薄铜管、铝管或合金管制成的栅网面, 如图7 所示。导管的直径是1.5 厘米,长2 米, 导管相互

12、平行, 间隔5 厘米, 组成一个抛物面。主反射器可形成一个水平极化的高能波束。扭转反射器将水平极化波旋转90后形成垂直极化波再反射出去, 此波可透过栅网反射面。扭转反射器壁用碳纤维增强树脂结构材料, 内部导体可采用固体方钢、中孔管等材料。L 波段天线, 波束很窄, 传输峰值功率超过100MW, 当重复频率超过100Hz 时, 系统工作最合适的脉冲宽度大约是5!s, 在L 波段f0=1.3GHz 时, 天线的波束增益为30dB。辅助扭转反射器和主反射器一样都能覆盖7m2 左右的面积, 车载设备重量小于250kg。当极化扭转反射器快速旋转时, 就能使高能波束进行快速扫描。天线可在导弹、飞机或汽车等

13、目标上形成一个高能量聚焦。天线还以跟踪方式对准正移动的目标快速发射微波能量, 破坏和干扰目标的电子系统, 同时对操作人员和设备无伤害。2.3 四等份抛物面反射器天线一种新型的、能够不需模式转换而直接接收水平对称模的天线同轴线波束扭转天线( CoaxialBeam- RotatingAntenna, COBRA) 已经研制成功。这种天线在轴向能够产生高增益、线极化或圆极化方向图。天线原理如图8(a) 和8(b) 所示。图9 是一个四等份抛物面反射器天线, 它是模式转换器和辐射器的组合, 能把HPM 源的TM01 模转换成TE10 模。天线为卡塞格伦结构, 主反射器是抛物面, 采用金属旋压面, 焦

14、径比F/D=0.26。主反射器直径68 英寸, 其余是机械加强滚边。面板中心开洞, 放置圆锥喇叭, 主反射器均分四份( 四个单块) , 每一块面板都可以通过调整机构微调。设计中心频率为3GHz。副反射器为双曲面( 偏心率=1.623) , 直径是21 英寸, 用精密不锈钢制造, 重量小于30 lb。四个玻璃纤维杆支架支撑副反射器, 副反射器位置和方向在天线工作时保持固定不变。对于直径14 英寸的馈源喇叭, 通过优化计算得到主反射器有效直径为62.5 英寸。馈源喇叭有三个部分: 一是圆波导, 二是渐变过渡器, 三是锥形喇叭。圆波导用同轴线连到波导末端的适配器上。适配器是一个沿圆波导的径向轴定位的

15、接头, 激励一个TM01 模。馈源过渡器从直径14 英寸渐小到3.5 英寸。最后一部分是直径为14 英寸的圆口径圆锥喇叭。 2.4 一种新型圆极化高功率微波天线模式转换器结构如图10（a），同轴波导内沿角向均匀放置4块金属板，将同轴波导分隔为4个90o 扇形波导。这样，左端输入的同轴TEM模将转变为扇形波导中的TE11模。调节各扇形波导输出的微波相位，使4个输出口输出微波相位依次相差90o。为了实现不同输出口输出微波的相位差，图10（b）在各扇形波导中央在插入长度不等的金属板，把原来90o 扇形波导分隔为两个45o扇形波导, 调节插板长度可以实现输出口相位的改变。图10 模式转换器结构示意图图

16、11 新型喇叭结构示意图 为了江上述模式转换器所输出的4个扇形波导TE11模有效的辐射出去，设计了图11的同轴插板式喇叭，在头洲圆锥喇叭中插入4块金属板，将同轴喇叭分隔为4个扇形截面喇叭，组成与各喇叭阵列。4个扇形截面喇叭分别辐射相位一次相差90o的TE11模，从而形成圆极化辐射场。4个扇形截面喇叭的后端可以看成是一格圆锥喇叭，可以提高增益和见效副瓣的作用。2.5 高功率超宽带同轴双锥天线锥形天线是一种超宽带天线, 在无限长的情况下, 它是理想的非频变天线, 适合辐射脉冲信号。图12为双锥天线示意图图12 双锥天线示意图天线结构如图13此天线是为辐射高压UWB 脉冲信号而设计的, 输入脉冲为双

17、极脉冲, 双极脉冲电压100kV , 脉冲全底宽3.6ns,重频100Hz，天线输入为同轴结构, 内导体外径19mm , 外导体内径44mm , 输入阻抗50。输入传输线内充3. 5M Pa 的N2, 在天线输入端加密封和绝缘结构, 另外, 考虑高压脉冲, 天线内外锥充0. 5和452 所示,脉冲全底宽3. . 5M Pa 的N 2, 在天线输入端加. 2M Pa 的SF 6。天线内外锥半锥角分别为20, 外锥长75cm , 内锥长77cm , 内外锥均由铜板制作。图13 双锥天线结构图14 天线E平面方向图2.6高功率双层径向线螺旋阵列天线 高功率双层径向线螺旋阵列天线基本结构如图14所示。

18、天线采用同轴波导馈电,经同轴2径向线模式转换器实现从同轴到径向线TEM 模的转换,再经过径向线到大同轴波导模式转换器和大同轴波导到径向线模式转换器实现径向线TEM 波由外向内传播。采用L型磁探针耦合从径向线中提取能量激励螺旋线单元天线。上述耦合激励与螺旋线单元天线沿径向线呈环状排列,形成等间距同心圆环阵列。单元天线的辐射在空间进行功率合成实现微波的轴向圆极化辐射。图14高功率双层径向线螺旋阵列天线基本结构在中心频率为4. 0 GHz (工作波长= 75 mm) 下,天线同轴波导的内导体半径a1 = 20 mm ,外导体半径b1 = 45 mm ,大尺寸同轴波导的内半径a2 = 150 mm ,

19、外半径b2 = 160 mm。当径向线两平行板间距离与波长相比足够小时,其间传播TEM 波,所以我们取间距Sw = 20 mm0. 27。最后,整个天线用介质罩密封使其处于真空状态,天线的法兰口径为350 mm。虽然不是任何传统的天线都可以用作HPM天线,但可以在HPM条件下使用的天线也是由传统天线演变而来的。上述三种天线都使用了天线设计优化技术, 使天线满足HPM应用的条件。优化技术的应用结合HPM技术的发展, 会使更多形式的传统天线应用到高功率微波系统中。张建利, 翟爱芬，高能微波天线介绍，通信与对抗，2006，3袁成卫，刘庆想，钟辉煌等，一种新型圆极化高功率微波天线，微波学报，2005.12王建明，超宽带天线设计及应用研究，国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文，2003.12廖勇，超宽带TEM喇叭天线阵列辐射特性初步研究，中国工程物理研究院学位论文，2003.4 孟凡宝,杨周炳,吴文涛等，高功率超宽带同轴双锥天线的设计和实验，强激光与粒子束，1999.4杨周炳，孟凡宝，马弘舸等，高功率超宽带脉冲辐射实验装置研制，强激光与粒子束，2005.8李相强,刘庆想,赵柳, 高功率双层径向线螺旋阵列天线实验研究，强激光与粒子束，2006.2