ref-TangT-高功率微波天線現狀

1、高功率微波( High Power Microwave, HPM)或稱高能微波, 一般指峰值功率在100MW 工作頻率在0.5-300GHz(相應波長300mm-10mm) 頻譜含量豐富, 可用于沖激雷達、電子干擾等方面。這種寬頻譜(相對帶寬大于100%) 脈沖一直是天線領域研究的課題, 目前的超寬帶天線是普通天線形式的直接外推, 色散和與源的匹配問題。傳統(tǒng)的寬帶天線有行波天線、非頻變天線、喇叭天線等幾種類型組成。這些傳統(tǒng)的寬帶天線一般沒有一個統(tǒng)一的相位中心，由天線結構不同的部分來決定不同頻率信號輻射的相位中心。因此，用傳統(tǒng)的寬帶天線來輻射頻譜較寬的超短脈沖信號將帶來波形的失真。的認識局限于部

2、分易于實現寬帶特性的傳統(tǒng)單元天線上;另一方面國際多概念模糊，缺乏可比性的弊病。究其原因在于超寬帶天線要求在時域內描述天線特性的基本參量，時域的分析方法也遠不比頻域成熟。1.研究現狀1.1 國外研究現狀家實驗室，Power Spectra公司和Farr Rresearch公司。Phillips國家實驗室總體負責高功率脈沖技術研究，研制了H系列高功率氣體開關源。現在正在研制H-4型，預計輸出2兆瓦，峰值功率100GW脈沖上升沿130皮秒，脈寬250皮秒。Ppower Spectra公司為Phillips國家實驗室研制了GEM系列高功率范圍內o掃描。為了解決低頻能量輻射不足的問題，準備換用TEM喇叭

3、作陣元。該天線陣列產生了約1納秒，1吉瓦的輻射功率，重復頻率10KHZ，在離天線12米處輻射電場達到170KV.M 。Sandia國家實驗室研制了同軸三角形TEM喇叭天線，天線末端使用橢球形Tteflon棱鏡將球面波前轉換成平面波前，天線尺寸為80cm30.5cm12.7cm，饋電巴倫由同軸接頭，不平衡平行板線，平衡平行板線構成，低功率條件下測試其發(fā)射脈沖FWHM寬度達到23皮秒。Farr Rresearch公司研制了兩個反射鏡脈沖輻射天線和一個棱鏡脈沖輻射天線，拋物面反射鏡，兩個反射鏡直徑分別為23cm和F 0.38D46cm，饋源采用4避垂直交叉圓錐TEM喇叭，輸入阻抗200 。棱鏡脈沖輻

4、射天線由聚乙烯填充的圓錐TEM和橢球面棱鏡構成，50 饋電。烏克蘭國家科學研究院無線電物理和電子研究所也開展了大電流輻射器的研究。今后的研究向更短的脈沖，更寬的頻帶，更高的功率，效率和重復頻率發(fā)展。1.2 國內研究現狀西北核技術研究所研制了線框饋電反射面高功率電磁脈沖輻射天饋電結構，拋物反射面（D=2m,）,絕緣機構，支撐和方位調F 0.37D節(jié)機構等構成，其中高功率寬帶模式轉換器是同軸線以一定的角度（相對TEM喇叭軸線）直接與喇叭喉部相連接，同軸線末端內導體伸展成椎沿370皮秒，寬度為700皮秒，峰值電壓為200千伏的亞納秒脈沖的超寬帶，輻射波束主瓣寬度約為3.8,輻射效率約為37%，增益1

5、7.5Db。o九院研制了同軸雙錐天線，由一段匹配過渡同軸結構，內導體外徑 ，輸入傳輸線內填充3.5MPa的SF6氣體，天線內外錐半錐角分別為20.5 ,外錐長75cm，內錐長oo頻點250MHz,在150250MHz頻段內駐波大于3小于4。將天線接在電壓100KV，重復頻率100Hz，單周期脈沖全底寬3.6納秒和輸出阻抗50 的超寬帶脈沖源上，測得輻射功率大于100兆瓦，E面和H面平行極化半功率點全寬分別為50和360，效率約為65%。oo達實驗系統(tǒng)，后者用于超寬帶合成孔徑雷達實驗系統(tǒng)。在低頻測試條件200一8OOMHz，外形尺寸670mm X 734mm 在10個倍頻程范圍內電壓駐波比小于1

6、.7，即使在低頻端(170MHz)輻射仍然具有sdB左右的前后比。超寬帶脈沖產生裝置包括高壓儲能電容、高壓開關、充電電感、低阻脈沖形成線、亞納秒開關和高功率負載等部分,通過采用低阻抗脈沖達到有效提取能量、提高系統(tǒng)能量效率的目的。重復頻率高壓脈沖充電電源在500ns 內將高壓儲能電容C(350pF) 充電到600kV 導通,電容通過諧振充電對高阻脈沖形成線TL1 )進行充電; TL1上電壓達到峰值后開關K2導通,利用傳輸線的充電技術,使高阻脈沖形成線TL1對低阻脈沖形成線TL2 )進行充電;然后在低阻抗(阻抗Z2 )下形成高壓沖擊脈沖,再經過后沿銳化開關,得脈沖功率約10. 7GW 脈沖傳輸到達

7、天線。脈沖產生裝置原理圖見圖。2.幾種高功率寬帶天線2.1.偏置雙反射器卡塞格倫天線天線如圖1 所示,主要設計參數如表1 移動副反射器實現。表1偏置雙反射器卡塞格倫天線參數天線設計參數( 頻率: 3GHz)副反射器參數Hs=8H=30H 為偏置焦點離主反射器中心的高度, Hs是偏置焦點離副反射器中心的高度。圖2 是HPM單喇叭饋電系統(tǒng)的組成框圖。為了克服高功率電平可能造成的空氣擊穿,擊穿能力即增加擊穿場的強度, 在真空和外部空氣介面之間放一個裝著SF6(sulfur hexa fluoride, 容器的尺寸由內外場強的大小決定, 真空容器和SF6 氣體接觸面是隔離的。表2 單錐形喇叭饋電設計0

8、.86367.27(H 面), 7.64(E 面)表3 單喇叭饋電反射器賦形前后性能比較37.9dBi38.7dBi39.0dBi 壁較厚。喇叭的輸出口上有透波的丙烯酸塑料涂層, 波長23 厘米時, 涂覆厚度為3 英寸。主反射器是由 如圖7 所示。導管的直徑是1.5 厘米,長2 導管相互平行, 組成一個拋物面。主反射器可形成一個水平極化的高能波束。扭轉反射器將水平極化波旋轉90后形成垂直極化波再反射出去, 此波可透過柵網反射 內部導體可采用固體方 傳輸峰值功率超過100MW,當重復頻率超過100Hz 系統(tǒng)工作最合適的脈沖寬度大約是5!s, 在L 波段f0=1.3GHz 時, 射器一樣都能覆蓋7

9、m2 左右的面積, 車載設備重量小于250kg。當極化扭轉反射器快速旋轉時, 就能使高能波束進行快速掃描。天線可在導彈、飛機或汽車等目標上形成一個高能量聚焦。天線還以跟蹤方式對準正移動的目標快速發(fā)射微波能量, 破壞和干擾目標的電子系統(tǒng), 同時對操作人員和設備無傷害。2.3四等份拋物面反射器天線圖9 是一個四等份拋物面反射器天線, 它是模式轉換器和輻射器的組合, 能把HPM 源的TM01 模轉換成TE10 模。天線為卡塞格倫結構,主反射器是拋物面, 采用金屬旋壓面, 68 其余是機械加強滾邊。面板中心開洞, 放置圓錐喇叭, 主反射器均分四份( 四個單塊) , 每一塊面板都可以通過調整機構微調。設

10、計中心頻率為3GHz。副反射器為雙曲面( 偏心率=1.623), 直徑是21 用精密不銹鋼制造, 重量小于30lb。四個玻璃纖維桿支架支撐副反射器, 直徑14英寸的饋源喇叭, 通過優(yōu)化計算得到主反射器有效直徑為62.5英寸。饋源喇叭有三個部分: 一是圓波導,二是漸變過渡器,三是錐形喇叭。圓波導用同軸線連到波導末端的適配器上。適配器是一個沿圓波導的徑向軸定位的接頭, 激勵一個TM01 英寸漸小到3.5 英寸。最后一部分是直徑為14 英寸的圓口徑圓錐喇叭。2.4一種新型圓極化高功率微波天線板，將同軸波導分隔為4個90扇形波導。這樣，左端輸入的同軸TEM模o將轉變?yōu)樯刃尾▽е械腡E輸出口輸出微波相位

11、依次相差90。o為了實現不同輸出口輸出微波的相位差，圖10（b）在各扇形波導中央在插入長度不等的金屬板，把原來90扇形波導分隔為兩個45扇形oo波導, 調節(jié)插板長度可以實現輸出口相位的改變。圖10 模式轉換器結構示意圖圖11 新型喇叭結構示意圖為了江上述模式轉換器所輸出的4個扇形波導TE 模有效的輻射出喇叭分別輻射相位一次相差90 的TE o的作用。2.5 高功率超寬帶同軸雙錐天線錐形天線是一種超寬帶天線, 在無限長的情況下, 它是理想的非頻變天線, 適合輻射脈沖信號。圖12為雙錐天線示意圖圖12 雙錐天線示意圖天線結構如圖13此天線是為輻射高壓UWB 脈沖信號而設計的, 輸入脈沖為雙極脈沖,

12、 雙極脈沖電壓100kV , 脈沖全底寬3.6ns,重頻100Hz，天線輸入為同軸結構, 內導體外徑19mm , 外導體內徑44mm ,輸入阻抗50 。輸入傳輸線內充3.5M Pa 的N2, 在天線輸入端加密封和絕緣結構, 另外, 考慮高壓脈沖, 天線內外錐充0. 5452 所示脈沖全底寬3. . 5M Pa 的N 2, 在天線輸入端加. 2M Pa 的SF 。天線內外錐半錐角分別為20, 外錐長75cm , 內錐長77cm , 內外錐均由銅板制作。圖13 雙錐天線結構圖14 天線E平面方向圖2.6 高功率雙層徑向線螺旋陣列天線軸波導饋電,經同軸2徑向線模式轉換器實現從同軸到徑向線TEM 模的轉換,再經過徑向線到大同軸波導模式轉換器和大同軸波導到徑向線模式轉換器實現徑向線TEM 波由外向內傳播。采用L型磁探針耦合從徑向徑向線呈環(huán)狀排列,形成等間距同心圓環(huán)陣列。單元天線的輻射在空間進行功率合成實現微波的軸向圓極化輻射。圖14 高功率雙層徑向線螺旋陣列天線基本結構在中心頻率為4. 0 GH