一种高功率超宽带天线阵列设计.pdf

Electronic and Electro-pticalSystemsMar.20232023年0 3 月No.1系电光第1期统一种高功率超宽带天线阵列设计周鹏，刘朝阳，张宏伟，王浩放中国电子科技集团公司第二十七研究所，郑州45 0 0 47摘要：文章针对超宽谱高功率微波系统应用设计了一种全金属化的高功率超宽带天线阵列。该天线单元辐射结构采用指数渐变型槽缝结构，将常规的圆形反射腔结构调整到探针一侧，使得利用金属探针直接馈电更加方便。采用连接阵的方式组阵进一步改善了阵中天线单元的低频阻抗匹配性能，并且保证了天线阵列在全频带内具有较高辐射效率。对天线阵列进行建模仿真，仿真结果表明该天线阵列阻抗带宽（VSWR2）达到了113%，全频带内辐射效率优于97%，在真空和空气环境下都可承受较高功率的宽谱高功率微波。关键词：高功率微波；宽带天线；强耦合；高效率中图分类号：TN822文献标识码：ADesign of High Power Ultra-wideband Antenna ArrayZHOU Peng,LIU Chao-yang,ZHANG Hong-wei,WANG Hao-fang(The 27th Research Institute of China Electronics TechnologyGroup Corporation,Zhengzhou 450047,China)Abstract:In this paper,an all-metallized high power UWB antenna array is designed for ultra-wide spectrumhigh power microwave system applications.The radiation structure of the antenna unit adopts exponential gradi-ent slot structure,and the conventional circular reflector cavity structure is adjusted to one side of the probe,which makes it more convenient to use the metal probe to feed directly.The low frequency impedance character-istics of the elements in the array are further improved by the strong coupling between the elements and antennaarray has high radiation efficiency in the full band.The Simulation results show that the impedance bandwidth(VSWR 2)of the antenna array is 113%,the radiation efficiency in the band is better than 97%,and the u-nit can withstand wide spectrum high power microwave in the vacuum and air environment.Key words:High Power Microwave;Wideband Antenna;Strong Coupling;High Efficiency1引言宽谱高功率微波是近年来在高功率微波领域兴起的一个研究方向，主要应用于车辆迫停、无人艇迫停和扫除电子爆炸物等。宽谱高功率微波一般通过前门或后门耦合到电子系统，在电子系统内部产生感应电压和电流，当电压或者电流强度超过一定阅值后可造成电子系统的扰乱或损伤2-3 。随着科学技术的进步，电子系统的复杂性和数量级增加，宽谱微波起作用的中心频率往往也有所差别。因此，设计宽频宽谱微波辐射能同时对目标设备内更多的电子系统起作用，可大大提高辐射装置的作用概率。Vivaldi天线是传统宽带天线的一种，通常采用介质基板印制而成，但是单元辐射效率和耐功率不高。本文通过优化反射腔，使得单元可以直接通过金属探针直接馈电，避免了印刷式巴伦馈电结构，而且全金属Vivaldi天线因具有强度高、成本低、耐高温等优势，更适合应用于高功率微波领域。此外，采用连接阵的方式将相邻单元电连接以增加单元的有效长度，既改善了天线的低频阻抗特性，又避免了天线方向图栅瓣的产生。最后，对48 阵列天线的辐射特性和功率容量进行了作者简介：周鹏（1990 一），男，硕士研究生，毕业于西安电子科技大学，研究方向：宽带天线、阵列天线和雷达系统设计。第1期系电光统42仿真分析。2理论分析本节分别介绍了槽线型宽带天线辐射理论和宽带连接阵理论。指数渐变型天线通常通过纵向延长单元尺寸来降低最低截止频率，形成宽带辐射，但容易引起高频方向图恶化，效率降低。本文引人连接阵的组阵方式来延长单元的横向长度，通过组阵将相邻单元电连接来增加单元的有效长度，既改善了天线的低频阻抗特性，又避免了天线方向图栅瓣的产生。2.1槽线性Vivaldi辐射理论Vivaldi天线是一种端射式行波天线，于19 7 9年由P.J.Gibson提出4,其基本结构如图1所示。它由指数渐变槽线形成喇叭口径向外辐射电磁波，其中不同频率的电磁波对应由不同宽度的槽线区域来进行辐射，所以该天线可以工作在超宽的频率范围，而且具有比其他超宽带天线更稳定的时域特性，这都说明它能够作为脉冲辐射天线5 。此外，Vivaldi天线还具有端射特性好、增益稳定、平面易集成等众多优点，因而在天线领域研究甚广。0图1指数渐变型槽线示意图如图所示，将Vivaldi天线水平放置在YOZ平面上，将其最大辐射方向指向Z轴方向。Vivaldi天线的指数型开口曲线满足式（1）y(Z)=ae+c(1)假设曲线经过（y1,z），（y 2，z 2）点，则可得参数a,c,yi-y2a（2）二bz1bz2eebz1c=yii-ae(3)2.2宽带连接阵理论常规的阵列天线设计思路是先设计具有一定带宽的天线单元，然后将天线单元按照一定规则组成具有一定波束功能的阵列，在组阵时尽量减少单元之间的互耦，避免对天线带宽带来不利影响。而连接阵不同，连接阵是将天线单元按照组阵规则首尾相连的一种阵列，其在一定程度上延长了单元的有效长度，降低了单元的低频截止频率。连接阵和紧耦合阵列6 都是连续电流片阵列的一种，紧耦合阵比连接阵的单元间耦合程度更高，但其形成的耦合缝隙容易造成电场集聚，在激励大功率时容易击穿。连续电流片阵列是Wheel-er教授提出的一种构想7 ,用一张无限大的、上面分布着连续均匀电流的平面来作为紧密排列的单极化偶极子平面阵列的极限理想模型。自由空间中，该电流面的表面阻抗是纯实数，并且与频率不相关8 3天线设计本文设计的天线单元结构如图2 所示。图2（a)为天线单元的3 D示意图，图2(b）为侧视图。天线单元尺寸为8 0 mm80mm170mm，其中辐射臂厚8 mm，结构主要包含槽线型辐射臂、反射腔、馈电探针，减重孔等。天线单元为全金属结构，具备耐高功率、高温的能力和良好的结构强度。天线单元的仿真通过HFSS软件中周期结构条件进行。仿真得到的天线有源电压驻波比如图3所示。从图中可以看出ActiveVSWR2的频率范围是0.5 5 GHz2 GHz。170 mm80mm反射腔80mm馈电探针(a)3D示意图(b)侧视图图2高功率宽带天线单元示意图周总第18 3 期鹏功率超宽带天线阵列设计43107864200.4 0.6 0.81.01.21.41.61.82.0频率/GHz图3天线单元的有源电压驻波比仿真结果按Kilpatrick准则91计算击穿场强，真空中击穿场强取为45 MV/m10，空气中击穿场强取为3MV/m。天线结构仿真的电场分布如图4所示。计算时的输入功率为1W，电场较为集中的位置在探针附近的缝隙处。根据图中的最大场强计算可知，天线单元在真空中耐受功率可以达MW级，在空气中的耐受功率可达3 0 kW以上。EFieldY_per_mEFieldY_per_m1.5765c+0048.4479e+0031.4780:+0047.9199e+0031.3794e+0047.3919e+0031.2809e+0046.8639e+0031.1824e+0046.3359e+0031.0838e+0045.8079e+0039.8531e+0035.2799e+0038.8678e+0034.7519e+0037.8825e+0034.22.39e+0036.8972e+0033.6959e+0035.9119e+0033.1679e+0034.9266e+0032.6400e+0033.9412e+0032.1120e+0032.9559e+0031.5840e+0031.9706e+0031.0560e+0039.8531e+0025.2799e+0020.0000e+0000.0000e+000(a)0.6 GHz(b)2 CHz图4天线单元电场分布电壁图548天线阵列示意图当前，高功率微波源的输出功率量级已增加到GW级，采用大口径的高增益、高功率天线阵列对外辐射功率，以降低每个单元的承受功率是目前的趋势之一。本文建立了48 阵列模型，仿真分析天线的辐射方向图，如图5 所示。经过有限元仿真分析得到E面辐射方向图，如图6 所示。各频点仿真增益与方向系数的差值不大于0.2dB，综合辐射效率大于97%一主极化一主极化15115一交又极化一交支极化001P/15-15-3014545-60-6006012018024030036050050100150200250300350400度/）度/）(a)0.6 CHz(b)1 CHz201主极化主极化交叉极化10交叉极化0-101P/影-10-20-20-30-4040-50-5060-60,06012018024030036060120180240300360度/）度/）(C)1.5 GHz(d)2 GHz图6E面辐射方向图表1仿真增益与效率频率方向性系数/dB增益/dBi效率/(%）0.610.1310.0999.1114.5614.4397.01.518.0817.9797.5220.5820.5098.24结束语本文针对超宽谱高功率微波系统应用设计了一种高功率超宽带天线单元，经过仿真天线单元满足电压驻波比小于2 的带宽达到了113%，在真空中耐受功率可以达MW级，在空气中的耐受功率可达3 0 kW以上。采用该单元组成48 阵列进行仿真，其方向图良好，全频带内辐射效率优于97%，为GW级宽谱高功率辐射提供了良好条件。该天线具有结构简单、宽带、效率高、耐高功率等特点，通过规模调整和结构优化可以适用不同量级的宽谱高功率辐射需求，具有较高的工程应用价值。参考文献1廖勇，谢平，徐刚，等高功率双频宽谱平面倒F天线设计分析J强激光与粒子束，2 0 15，2 7（9）：093202.2振麟，许建军，肖开奇：高功率微波车辆迫停的效应机理分析J指挥控制与仿真，2 0 16，3 8（4）：13 4-137.3徐刚，陆巍，丁恩燕，等紧凑型宽谱高功率微波辐上接第3 5 页）第1期系电光统44射器仿真设计J.强激光与粒子束，2 0 15,2 7（4：043001.4CIBSON P J.The vivaldi aerial C/1979 9th EuropeanMicrowave Conference,UK:IEEE,1979:101-105.5胡琴高功率Vivaldi天线研究D成都：电子科技大学,2 0 16.6刘杰，张宏伟，于志华，等加载调流电感的超宽带紧耦合阵列天线J.现代雷达，2 0 19，41（12）：6 2-65.7WHEELER H A.Simple relations derived from a phased-区，以高分辨率红绿蓝三波段影像为数据源，利用目视解译数据构建标记样本数据集，通过构建深度学习网络模型，开展耕地提取应用研究，研究获得以下主要结论。（1)将模型应用到新乡市三个区域的耕地自动提取中，实现高效精准的耕地自动化分类是可行的，且不受作物种植结构及影像分辨率的影响。模型在三个区域进行耕地提取的时间少于10 min，且在各耕地区域内提取效果较好且无明显差异，总体精度在8 8%94%。在目视容易判断的地形平坦、地块平整、耕地面积大的区域取得了较好的分类结果，解决了传统分类方法中训练样本的“特定区域、特定影像、特定目标”的局限性，而且图像中的分类噪点较少，具有较高的实际应用价值；（2)模型在影像中不同类型的区域不确定性不同，在纹理特征较为简单的耕地田块以及非耕地中区分度较大的区域，模型的学习效果较好，不确定性较低。在各地类的边界区域以及纹理特征比较复杂的区域，模型的不确定性较高，存在错分及漏分情况。本研究还有需要进一步研究的地方，模型对于耕地特征较为复杂的区域识别效果较差，可能是由于样本选择时此类耕地的样本不充足，可以array antenna made of an infinite Current Sheet J.IEEE Transactions on Antennas and Propagation,1965,13(4):506-514.8李桂红，王珂，吴帅，等一种超宽带宽角扫描Vivaldi连接阵设计J.火控雷达技术，2 0 2 0，49（2）：8 0-8 3，88.9JAMESON R A.High brightness accelerators C/Procescing.of ASI Conference.1986:497-498.10门满洲.S波段高功率1分3 2 路功率分配网络的设计D成都：西南交通大学.2 0 0 9.考虑进一步增强和平衡各类样本，提高模型的分类精度，增强模型的泛化能力，探究模型在其他更为复杂的区域的适用性。参考文献1JCHENG G,HAN J,LU X.Remote sensing image sceneclassification:benchmark and state of the art J.Pro-ceedings of the IEEE,2017,105(10):1865-1883.2CHAVEZP,SIDESS C andANDERSONJA.Compari-son of three different methods to merge multiresolution andmultispectral data:landsat TM and SPOT panchromaticJ.Photogrammetric Engineering and Remote Sensing,1991,57(3):295-303.3刘大伟，韩玲，韩晓勇基于深度学习的高分辨率遥感影像分类研究J光学学报，2 0 16，3 6（4）：0428001.4张康，黑保琴，李盛阳，等.基于CNN模型的遥感图像复杂场景分类J.国土资源遥感,2 0 18,3 0（4）：49-55.5ZHANG G Y,ZHANG R T,ZHOU G Q,et al.Hierar-chical spatial features learning with deep CNNs for veryhigh-resolution remote sensing image classification J.International Journal of RemoteSensing,2018,39(18):5978-5996.