有源高功率時域蝶形天線及時域陣列研究與設(shè)計.pdf

1、對短脈沖時域天線的相關(guān)理論和關(guān)鍵技術(shù)作了介紹，指出了時域天線在設(shè)計思路和分析方法上與傳統(tǒng)寬帶天線的區(qū)別，利用了波形保真度和時域方向圖等參數(shù)描述時域天線的性能。綜合比較國內(nèi)外現(xiàn)有時域天線的基礎(chǔ)上，針對某沖激雷達(dá)項目對高峰值功率時域天線的應(yīng)用需求，成功研制了一種新型有源高功率背腔式阻抗加載時域蝶形天線。
　　本文的研究圍繞時域蝶形天線單元及其陣列設(shè)計展開，研究內(nèi)容集中于時域短脈沖時頻域分析，時域天線設(shè)計的基本理論，新型天線結(jié)構(gòu)及時域天

2、線陣列設(shè)計四個方面，主要工作如下：
　　一、時域短脈沖時頻域分析及時域天線性能參數(shù)引入。通過深入分析高斯和高斯類脈沖信號輻射的基本理論，提煉出時域天線的設(shè)計要求，并給出消除輻射信號失真、實現(xiàn)較好阻抗匹配的天線設(shè)計思路。通過對超寬帶和窄帶信號輻射特性的對比分析，掌握輻射或接收過程中脈沖波形產(chǎn)生畸變和振鈴的機理以及制約高性能時域天線實現(xiàn)的各種因素，引入相關(guān)參數(shù)描述時域天線的性能。綜合考慮超寬帶通信系統(tǒng)對時域天線的性能要求，指出時域天線

3、應(yīng)當(dāng)著重研究其在極大阻抗帶寬、線性相頻響應(yīng)、高效率輻射以及低剖面小型化等方面的實現(xiàn)問題。
　　二、脈沖源及高功率時域蝶形天線單元研究與設(shè)計。一是一體化蝶形天線設(shè)計，為了輻射脈寬為1ns的高斯脈沖信號，提出了饋源和時域天線一體化設(shè)計思路，采用CST2010優(yōu)化天線結(jié)構(gòu)，有效解決蝶形天線降低頻和降輸入阻抗的困難。二是背腔式阻抗加載蝶形天線設(shè)計，為了得到定向的、高保真高功率的輻射信號，除了對天線結(jié)構(gòu)的簡單優(yōu)化外，還進(jìn)一步探討了對蝶形天線

4、阻抗加載和加背腔的設(shè)計方法，采用CST對天線進(jìn)行了優(yōu)化仿真并通過收發(fā)天線系統(tǒng)仿真計算出天線的前后比。最后選擇性能最優(yōu)的天線進(jìn)行實物加工和實驗測試，仿真結(jié)果與實驗結(jié)果，如S11，輻射波形等吻合良好，證實了背腔式阻抗加載時域蝶形天線具有輻射波形好、輻射效率高、背向和側(cè)向輻射信號微弱等特點，且結(jié)構(gòu)簡單易組陣，滿足了項目的指標(biāo)要求。
　　三、沖激雷達(dá)項目中高功率時域蝶形天線陣列研究。為了進(jìn)一步提高天線的輻射功率和使輻射波形接近零拖尾，采用

5、了最優(yōu)單元天線組陣的方法。利用CST將單元天線組成m×n的陣列，結(jié)合時域天線陣列基本輻射理論，仿真研究其軸向能量高效傳輸特性、“電場合成”的波束聚焦特性和饋電延遲的波束動態(tài)掃描特性。根據(jù)項目中天線尺寸的要求，選擇最佳單元天線個數(shù)及組陣方式，通過對陣元間距的優(yōu)化，使得輻射波形為準(zhǔn)二階高斯脈沖，電場幅值與拖尾信號幅值比達(dá)到10:1，拖尾信號持續(xù)時間小于2ns，前后比遠(yuǎn)大于10:1，輻射電磁波束時域方向圖±25°，并對此陣列天線探測典型目標(biāo)進(jìn)