雙極變張角時(shí)域天線設(shè)計(jì)

　1 引言

　　光電子技術(shù)、微波技術(shù)和激光技術(shù)的進(jìn)步和相互結(jié)合，產(chǎn)生能夠工作在時(shí)域的高速、高頻電子開關(guān)器件－光導(dǎo)開關(guān)。該開關(guān)具有良好的電磁學(xué)響應(yīng)特性。在線性工作模式下的輸出波形近似為高斯脈沖。考察幾種常見的超寬帶天線可發(fā)現(xiàn)，一些傳統(tǒng)的超寬帶天線形式并不能輻射時(shí)域脈沖波形，只有領(lǐng)結(jié)天線、單極天線、雙錐天線和TEM喇叭天線等形式可輻射時(shí)域波形。

　　空間技術(shù)的發(fā)展對天線共形提出更高的要求。英國宇航公司研制高性能小尺寸的光導(dǎo)開關(guān)，試驗(yàn)中光導(dǎo)天線系統(tǒng)產(chǎn)生了30 MW的高功率微波。若把該光導(dǎo)開關(guān)和天線鑲嵌在作戰(zhàn)飛機(jī)的保形蒙皮內(nèi)，可能實(shí)現(xiàn)高功率微波(High POWER　Microwave，簡稱HPM)武器的效果。

　　其中一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)就是如何選擇或設(shè)計(jì)高性能的時(shí)域超寬帶天線形式，該天線具有尺寸小，能夠承受較大功率，具有定向輻射性能，剖面低易于與載體共形等特點(diǎn)。

　　2 新型時(shí)域天線分析

　　Vivaldi天線是由較窄的槽線過渡到較寬的槽線構(gòu)成的。槽線寬度呈指數(shù)規(guī)律變化，寬度由內(nèi)向外逐漸增大，形成喇叭口狀向外輻射或向內(nèi)接收電磁波。一般耦合型Vivaldi寬帶天線的帶寬主要受微帶線到槽線變換的限制，而對極型Vivaldi天線由于其微帶線及其接地面都逐漸展開，因此沒有變換匹配的限制，其帶寬主要由槽線和自由空間的匹配決定，故通常可達(dá)幾十個(gè)倍頻程。根據(jù)對極型Vivaldi寬帶天線的設(shè)計(jì)理論做相應(yīng)的電磁仿真(圖1a)，仿真模型尺寸為94 mmx40 mm×3．15 mm，采用高斯脈沖激勵(lì)，如圖1b所示，Vivaldi天線能夠輻射時(shí)域波形，可作為時(shí)域天線使用。不過Vivaldi天線為輻射方向?yàn)槎松浞较颍撎炀€在輻射方向上剖面大，很難與平面載體表面共形，可將Vivaldi天線放在導(dǎo)彈前端作為導(dǎo)引頭使用。Vivaldi天線形式為微帶結(jié)構(gòu)，功率容量小，不能作為高功率超寬帶電磁脈沖系統(tǒng)的天線單元。為方便比對，這里仿真的饋電均采用高斯脈沖激勵(lì)，為模擬光導(dǎo)開關(guān)的線性響應(yīng)，高斯脈沖的脈沖寬度取120 ps，即研究比較成熟的GaAs光導(dǎo)開關(guān)線性響應(yīng)的脈沖寬度。Valentine天線屬于行波天線。它由銅條帶按特殊的輪廓圖1對極型Vivaldi天線仿真時(shí)域結(jié)果彎曲而成，這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化高頻和低頻的輻射性能。對該天線進(jìn)行近似模擬仿真(圖2a)，天線尺寸為950 mm×1 136 mm×50 mm。圖2b為仿真結(jié)果，Valentine天線能夠輻射時(shí)域波形，該天線具有增益高，方向性好，低交叉極化，保形性好，可承受高電壓脈沖等優(yōu)點(diǎn)，可是作為超寬帶雷達(dá)研究的一個(gè)實(shí)例，不過該天線形式尺寸和天線剖面都較大，不易與載體共形。

　　機(jī)載共形要求天線尺寸小，并且可承受較大的功率。天線設(shè)計(jì)的具體要求有：需要天線有超寬帶特性，普通的寬帶或窄帶天線不符合設(shè)計(jì)要求；需要天線單元定向輻射，因此盤錐天線、雙錐天線和領(lǐng)結(jié)天線形式不符合設(shè)計(jì)要求；要求天線可以承受較大的功率，Vivaldi天線等微帶天線形式不符合設(shè)計(jì)要求；要求天線尺寸小，易加工，Valentine天線等較大尺寸的天線形式不符合設(shè)計(jì)要求；要求天線剖面低，易于與載體共形，因此TEM喇叭天線不符合設(shè)計(jì)要求。

　　這里結(jié)合領(lǐng)結(jié)天線的低剖面優(yōu)點(diǎn)和TEM喇叭天線的定向輻射特點(diǎn)，設(shè)計(jì)一種定向輻射的天線形式一雙極變張角天線，構(gòu)成天線的曲線形式可選二次曲線或指數(shù)曲線。曲線漸變的天線形式大多阻抗變化連續(xù)，有時(shí)可較大改善天線的阻抗性能。經(jīng)嘗試對比，指數(shù)曲線比二次曲線的曲率變化易于調(diào)試，終極選擇指數(shù)曲線形式。

　　曲線參數(shù)為：

　　y=cexp(ax+b)±d

　　式中，a，b，c，d為指數(shù)曲線的4個(gè)可調(diào)節(jié)參數(shù)，可根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需求調(diào)節(jié)其取值范圍，在確定的取值范圍內(nèi)將各參數(shù)作為優(yōu)化參量優(yōu)化需要的天線指標(biāo)。

　　首先在頻域標(biāo)準(zhǔn)下優(yōu)化該天線的曲線形式，在固定天線剖面15 mm不變的條件下，以指數(shù)曲線各參數(shù)為優(yōu)化變量，以天線在脈沖頻譜內(nèi)S11曲線最小為優(yōu)化目標(biāo)，圖3a為優(yōu)化得到的天線形式，天線尺寸為100 mmx100 mmx15 mm。圖3b、圖3c為仿真結(jié)果，固然天線在整個(gè)頻帶內(nèi)阻抗匹配較好，具有超寬帶天線特性，但該天線主輻射方向上的時(shí)域電壓響應(yīng)波形并不理想，天線未達(dá)到時(shí)域波形的保形條件。