高功率超寬譜雙反射面天線優(yōu)化設(shè)計

高功率超寬譜雙反射面天線優(yōu)化設(shè)計

天線是超寬譜技術(shù)的之一。常用的超寬譜天線包括太寬光譜和反射面的影響輻射天線（ira）。其中，c.e.baum提出的ira是實現(xiàn)高增長率超寬譜輻射的主要技術(shù)途徑。常用的反射ira天線采用前反射，在公共反射的情況下發(fā)射，缺點是公共反射會產(chǎn)生明顯的抗衰減效應(yīng)。盡管可以將公共反射的極端板設(shè)計為線性框架結(jié)構(gòu)，并且可以減少反射，但反射面的徑向外增加，盡管反饋線、源線和天線旋轉(zhuǎn)不方便等因素存在不利因素。因此，對超寬光譜bilson高級超寬譜天線進行了研究，并對超寬光譜casser高原的超寬譜天線進行了設(shè)計，并初步驗證了超寬譜biogel這項技術(shù)路線的可行性。在超寬譜雙反射面天線的實際高功率應(yīng)用中,存在饋入反射、功率容量、輻射特性以及饋源小型化等技術(shù)難題。本文針對實驗中發(fā)現(xiàn)的天線設(shè)計不足之處,對天線饋源喇叭、天線絕緣介質(zhì)箱體、副反射面等結(jié)構(gòu)參數(shù)進行了優(yōu)化設(shè)計,開展高功率實驗研究來提高天線功率容量,改善天線輻射特性。1體封板及封板的組合饋源設(shè)計雙反射面超寬譜天線系統(tǒng)由組合饋源喇叭和拋物面構(gòu)成,如圖1所示。拋物面天線口徑為7m,焦徑比為0.4,其中組合饋源喇叭由同軸到平板過渡段、指數(shù)TEM喇叭、尼龍箱體和副反射面構(gòu)成,如圖2所示。同軸到平板過渡采用在同軸線外導(dǎo)體上縱向切口的技術(shù)路線,切口張角按特定規(guī)律變化,同軸結(jié)構(gòu)外導(dǎo)體和內(nèi)導(dǎo)體漸變到平板結(jié)構(gòu)。TEM喇叭采用指數(shù)漸變結(jié)構(gòu),可以增加喇叭長度,加大喇叭張角,喇叭的波阻抗就更接近自由空間波阻抗,口面的反射將減小。設(shè)計副反射面的直徑尺寸時要綜合考慮微波繞射和摭擋的影響。副反射面同時作為尼龍箱體的封板,圓錐型尼龍箱體的主要作用是密封SF6氣體,實現(xiàn)TEM喇叭和同軸到平板過渡的高功率絕緣。TEM喇叭、副反射面和尼龍箱體共同構(gòu)成了組合饋源,共同實現(xiàn)了超寬譜信號的后饋式輻射。雙反射面天線作為原理型實驗裝置,在實際高功率超寬譜輻射時饋入反射較大,尼龍箱體與副反射面之間的聯(lián)接螺釘在空氣中有明顯高壓打火現(xiàn)象,造成饋源喇叭饋入端絕緣支撐結(jié)構(gòu)高壓擊穿,尼龍箱體外打火處有明顯的燒蝕痕跡,高壓打火同時造成輻射場脈沖幅度的降低。為此,保持拋物面天線不變,對組合饋源喇叭結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計。為減小反射,采用“粗胖者佳”原則,盡量使天線形狀滿足與能流線共形,這樣可減小天線的電抗儲能,增大帶寬,減小天線Q值;同時通過喇叭板末端卷邊加厚平滑過渡,將原TEM指數(shù)薄板喇叭極板優(yōu)化設(shè)計為末端有較大彎曲半徑的實體結(jié)構(gòu),在所有尖銳點倒圓角,改善低頻特性。形成低頻電流回流環(huán)通道,從而減小低頻分量的反射,同時通過組合振子效應(yīng)增大前向輻射,改進后的組合饋源如圖3所示。為增大功率容量,降低尼龍箱體外聯(lián)接螺釘處電場強度,將副反射面分成箱體內(nèi)和箱體外兩部分,如圖3所示,這樣可使聯(lián)接尼龍箱體和封氣板的金屬螺釘不再突出在高功率電場中,當然副反射板中間有一環(huán)形縫隙,縫隙寬度為尼龍箱體的厚度,約為3cm,由于輻射場中心頻率為1GHz左右,縫隙約為中心輻射頻率波長的10%,因此縫隙對輻射場影響不大。為確保天線功率容量,還采取了減小同軸到平板過渡長度、TEM喇叭極板長度和高度來增大金屬螺釘與天線極板末端的距離,距離由14cm增大到25cm,尼龍箱體厚度由1.5cm增大到3cm,通過增大SF6氣體的壓強增加絕緣能力。當然這些措施會相應(yīng)惡化天線的低頻特性。最后通過優(yōu)化算法結(jié)合拋物面對組合饋源喇叭相關(guān)結(jié)構(gòu)進行多參數(shù)整體優(yōu)化。2數(shù)值模擬2.1天線的選擇和電壓駐波比采用FEKO電磁仿真軟件對天線進行模擬計算。圖4是TEM饋源喇叭優(yōu)化前后組合饋源天線電壓駐波比(VSWR)曲線對比,優(yōu)化后天線在800MHz~1.25GHz電壓駐波比有明顯的改善。由于受到天線小型化和功率容量工程技術(shù)要求的限制,TEM喇叭長度為125mm,高度為108mm,尺寸較小。改進后TEM喇叭天線長度、高度和同軸到平板過渡長度比原設(shè)計均有所減小,會抵消一部分低頻反射特性改進帶來的效果,因此改進后的天線在500~600MHz和700~800MHz相比于原設(shè)計天線,電壓駐波比由原來的2增大到了2.5,但改進設(shè)計后的組合饋源喇叭在800MHz~1.25GHz的電壓駐波比,由原設(shè)計天線的最大值3.5降到了1.5以下,改善效果很明顯。如果將TEM喇叭近似為振子天線,根據(jù)朱-哈林登極限,它的工作帶寬低端為λ/4,以TEM喇叭的高度為振子長度,工作帶寬低端為790MHz,而優(yōu)化后的饋源喇叭在400MHz以后的電壓駐波比均小于3,這也可認為是低頻改善措施帶來的性能改進。由于饋入脈沖的半寬度約為0.5ns,能量主要集中在150MHz~2GHz頻帶內(nèi),優(yōu)化后的TEM喇叭能穩(wěn)定工作在400MHz~3GHz。2.2氣體擊穿能力優(yōu)化影響組合饋源喇叭功率容量的主要因素是饋源外空氣中電場強度過高引起的高壓打火現(xiàn)象。圖5是優(yōu)化設(shè)計前后喇叭極板末端電場分布圖,饋入超寬譜峰值功率為30GW時,優(yōu)化前尼龍箱體與副反射面連接螺栓最大場強為216kV/cm,優(yōu)化后螺栓最大場強為64kV/cm,與優(yōu)化設(shè)計前相比,電場強度下降約70%。納秒下氣體擊穿經(jīng)驗公式為式中:ρ是氣體密度,單位為g/cm3;τ是脈沖寬度,單位為s;E是平均電場,單位為kV/cm。根據(jù)式(1),脈寬為1ns的脈沖在空氣中的擊穿場強為105kV/cm。則優(yōu)化前的TEM喇叭最大場強約為擊穿場強的2倍,優(yōu)化后饋源喇叭功率容量可達81GW。2.3結(jié)構(gòu)參數(shù)進化優(yōu)化采用Taguchi優(yōu)化算法,結(jié)合FEKO電磁仿真軟件對組合饋源的喇叭長度、高度、寬度,TEM喇叭極板末端與副反射面之間的距離,同軸到平板過渡的長度以及副反射面直徑,副反射面距拋物面距離等結(jié)構(gòu)參數(shù)進化優(yōu)化,饋入脈沖半寬為500ps。優(yōu)化目標是保持較高功率容量和較小反射基礎(chǔ)上的天線軸向輻射場幅度。優(yōu)化后TEM喇叭長度、寬度和高度分別為:125,127,108mm,副反射面直徑為1000mm,TEM喇叭口面距副反射面距離為95mm,同軸到平板過渡balun長度為395mm,副反射面距拋物面鍋底距離為2700mm。圖6是優(yōu)化前后天線系統(tǒng)主軸輻場對比。優(yōu)化后輻射場峰值比優(yōu)化前大1.2倍,輻射因子rE(輻射場峰值與觀測點距離乘積)與阻抗為50Ω時天線同軸饋入脈沖電壓V比值達到11。3天線測試結(jié)果天線實驗包括小信號測試和高功率實驗兩部分。其中小信號測試包含電壓駐波比測試和低功率天線輻射性能測試,高功率實驗包含功率容量實驗和輻射場測試。采用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測得天線電壓駐波比曲線如圖7所示,150MHz~3GHz電壓駐波比小于3.5。圖8是饋入半寬約500ps的單極脈沖信號得到的天線饋入反射波形,反射信號幅度是饋入脈沖的25%,比優(yōu)化設(shè)計前(34%)有明顯改善。為消除地面影響,采用斜距法測試天線的輻射特性,測試距離為200m,測試高度為50m。小信號測試輻射因子rE與饋入電壓V比值為10.5。將優(yōu)化設(shè)計后的天線系統(tǒng)連接到30GW超寬譜脈沖源系統(tǒng)上進行高壓實驗,通過饋源喇叭前同軸傳輸饋線上的電容分壓器測量饋入脈沖信號。開展功率容量實驗,天線中充1.6MPa的SF6氣體,脈沖功率源輸出功率超過30GW,脈沖寬度1.6ns,重復(fù)頻率100Hz,連續(xù)運行1min,從脈沖波形和攝像鏡頭中觀測,天線未見高壓打火。通過銳化開關(guān)對脈沖功率源輸出波形進行整形,得到半寬約500ps的單極脈沖信號,饋入天線后得到輻射場波形如圖9所示,輻射因子超過8MV,輻射因子rE與饋入電壓V比值為9.5,天線輻射場比優(yōu)化前提高1.15倍。測量得到天線H面和E面方向圖3dB寬度分別為2.35o和2.27o。輻射場頻譜如圖10所示,中心頻率為956MHz,3dB帶寬為182MHz~1.69GHz。4天線關(guān)鍵結(jié)構(gòu)優(yōu)化針對超寬譜高功率雙反射面天線系統(tǒng)存在一些缺陷和不足,本文進行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計。采用實體天線極板減小饋入反射,電壓駐波比在80