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(duì)天線共形提出更高的要求。英國(guó)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(jiǎn)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(guò)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(duì)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?？蛇_(dá)幾十個(gè)倍頻程。根據(jù)對(duì)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(guò)Vivaldi天線為輻射方向?yàn)槎松浞较?，該天線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(duì)，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(duì)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(duì)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(guò)該天線形式尺寸和天線剖面都較大，不易與載體共形。

3 雙極變張角時(shí)域天線的設(shè)計(jì)
    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(duì)比，指數(shù)曲線比二次曲線的曲率變化易于調(diào)試，最終選擇指數(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?jī)?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不變的前提下，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，雖然天線在整個(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。

    在時(shí)域標(biāo)準(zhǔn)下優(yōu)化該天線的曲線形式，即在天線剖面為15 mm不變的前提下，以指數(shù)曲線各參數(shù)為優(yōu)化變量，以天線的峰一峰值為優(yōu)化目標(biāo)，圖4a為優(yōu)化得到的天線形式，天線尺寸結(jié)果為25 mmx25 mm×15 mm，在同樣的峰峰值情況下，該天線比其他時(shí)域天線的尺寸要小得多。

    圖4b為仿真結(jié)果，雙極變張角天線可輻射較標(biāo)準(zhǔn)的時(shí)域波形。時(shí)域響應(yīng)波形具有較好的保形性和對(duì)稱性，且拖尾較小。該天線可滿足前面提到的時(shí)域天線設(shè)計(jì)的各種要求。

4 結(jié)束語(yǔ)
    時(shí)域定義下評(píng)價(jià)時(shí)域天線設(shè)計(jì)，主要包括輻射波形的脈沖拖尾、峰峰值、對(duì)稱性和天線的保形性。通過(guò)對(duì)不同形式的超寬帶天線對(duì)比，總結(jié)出時(shí)域超寬帶天線的一些設(shè)計(jì)要求：天線可輻射TEM波；天線的相位中心在脈沖頻譜內(nèi)變化不大；天線在頻譜范圍內(nèi)電壓響應(yīng)較平坦。結(jié)合光導(dǎo)開關(guān)線性模式脈沖響應(yīng)波形設(shè)計(jì)一種新型的時(shí)域超寬帶天線，即雙極變張角天線。利用光導(dǎo)開關(guān)作為激勵(lì)的雙極變張角天線天線單元組陣，鑲嵌到光傳操縱的作戰(zhàn)飛機(jī)保形蒙皮內(nèi)，通過(guò)空間功率合成技術(shù)可實(shí)現(xiàn)HPM武器的效果。