高功率微波系统中脉冲辐射天线的研究

摘 要高功率微波系统在高能物理、国防军事以及电磁干扰等领域有着重要应用，其中脉冲辐射天线的研究属于高功率微波系统深入研究的一部分，同样的对于相关领域行业的发展有着明显的推动作用。本文主要探讨的是高功率微波系统中脉冲辐射天线的研究，全文在具体展开论述中首先分析了国内外高功率微波系统中脉冲辐射天线的研究现状，其次分析了时域脉冲天线理论的性能参数研究，最后分析了高斯信号激励下的天线性能研究。

【关键词】高功率微波系统 脉冲辐射天线 研究分析

高功率微波是上个世纪70年展起来的一种新兴的技术学科，该技术中包含了电真空技术、脉冲功率技术以及等离子体物理学相关知识，随着科学技术的进一步发展，不同行业对于高功率微波提出了更高要求，与此同时，射频高功率微波的产生已经有效的得到解决，而关于高功率微波系统中脉冲辐射天线的研究相对较少，脉冲辐射天线在高功率微波系统中发挥着重要应用，整个系统的性能直接会受到天线性能的影响。本文主要就高功率微波系统中脉冲辐射天线的研究分析如下：

1 国内外高功率微波系统中脉冲辐射天线的研究现状

国外在高功率微波系统中脉冲辐射天线研究方面起步较早，全世界最早的无线电链路通信是1887年Hertz在实验室内完成的，其中采用的馈电单元术无线电传播中的偶极子天线，非封闭圆环属于无线电传播中的环天线，此后，有不同的学者相继对脉冲辐射天线进行了深入研究，此时关于天线的概念以及天线的形状都得到了快速发展，双圆锥偶极子结构、菱形板结构以及三角形平面天线结构均是天线结构方面的创新。当前的取样技术、计算机技术以及高速脉冲形成技术都为新型脉冲天线的研究奠定了基础。其中Vlasov天线可以将TM0，1模式的电磁波转化成脉冲，并且辐射出去，在辐射功率峰值稳定工程中不需要模式转化器，因而在高功率微波系统中得到了广泛应用。

我国在高功率微波技术方面的研究开始的时间较晚，而且研究进展较为缓慢，在研究过程中出现了一定的接收脉冲信号装置、出现了不同类型的脉冲天线，其中就有专门在高功率微波辐射中应用的脉冲天线，不过由于我国技术较为落后、研究起步迟，在不同的研究领域与国际上其它国家相比，存在着明显的不足，因此在今后较长时间内还需要不断地开拓创新。

2 时域脉冲天线理论的性能参数研究

时域天线属于超宽带天线中的一个分支，狭义上的时域天线指的是脉冲天线或者是瞬态天线，下面就时域脉冲天线理论的性能参数分析如下：

2.1 能量方向性系数

时域脉冲天线在总电磁能能力方面，需要使用应用信号能量进行定义，其计算式如下：

上式中的前半部分表示的是天线辐射的能量，后半部分表示的是天线辐射的总能量，整个式子表示的是能量方向性系数，根据上式可知，脉冲的持续时间与能量方向性系数有关系，不过，大多数情况下，脉冲持续时间过长并不是有益的，因而通过波形畸变指标的研究反映出天线的保真度。

2.2 天线增益

天线增益可采用下式表示：

上式中Etrans（t）表示的是天线的辐射电场，单位为V/m，Z0表示的是自由空间中的波阻抗，单位为Ω，t0表示的是脉冲波前馈入天线的时刻，单位为s，由于脉冲信号具有时域性，通常计算的天线增益仅限于某一空间位置，在具体的实验中，某一方向的辐射能力可以采用某一位置上接收的天线辐射电场Etrans（t）表示。

2.3 波形的保真度

脉冲持续时间过长并没有多大的益处，大部分情况下还需要采取措施改变这一现状，所时域脉冲天线辐射需要具备一定的信号保真度，也就是脉冲与辐射场波形间的差别。在信号保真度研究中，重要的两个参数就是相位中心以及群延迟。具体的如下：

2.3.1 相位中心

相位中心反映出的是无线模型在脉冲信号不失真情况下接收以及发射的能力，但是大多数情况下，脉冲发射的宽度较小，一般处于微秒级别，部分甚至处于纳秒数量级，由于数量级非常小，天线相位中心出现的微小变化对于整个系统而言影响较大，最终造成了天线辐射完成的时域波形出现了失真。

2.3.2 群延迟

信号波形在传输过程中传输系统存在有分布参数，而且在分布参数中包含电容、电感等分布网络，这样在传输过程中，不同的传输分布参数在到达接收装置的时间上会存在差异，造成了信号接收的相位差，当然，不同分布网络到达接收装置的时间差越大、信号之间出现的相位差越大、系统接收信号出现的失真也较为严重。因此，将群延迟控制在一定的范围内，可以保证脉冲信号电线的辐射场的不失真，保证了脉冲信号良好的收发能力。

当前条件下天线的相位中心以及群延迟参数并不是很容易就能得到的，也就是在理论研究方面，这两个参数有着重要的意义，但是实践应用中还存在较大的难度。鉴于这种情况，需要通过相关性系数，从理论的角度对脉冲辐射天线保真度进行定量研究，而相关性系数的提出为时域信号特性研究提供了新的方法。经过多名学者的研究结果显示，信号与功率谱密度函数之间符合傅里叶变换过程，相关性系数的表示如下：

如果相关系数为0，则表明信号的相似度最差，不存在相关性，如果相关系数为1，表明两个信号之间没有误差的存在，属于线性相关，相似度较好，通过相关性系数的引进，可对两个信号之间的相似度进行定量研究 ，同时为其它的研究工作提供重要参考。

3 高斯信号激励下的天线性能研究

3.1 高斯脉冲源

高功率微波系统脉冲辐射天线的研究需要一定的实验为依据，电磁软件以及现代高等数学的发展有力的促进了实验的顺利进行。

高斯函数的表达式如下：

将上式中的

，则上式变换后可得到

结合上式，想要把整f（t）属于合适的脉冲，则时间参数a属于关键，由于a对脉冲波波形的幅度以及宽度都能产生影响，将a称为脉冲波形的形成因子，a值越大，脉冲波的宽度将会增加，对应的脉冲波幅度会减小，根据上述函数，可将高斯脉冲波形函数用下式表示：

对应的能量表示为

从上式可以看出，在

的时候，v（t）具有单位能量。结合傅里叶变换，基本的高斯脉冲函数傅氏变化，也就是脉冲的功率谱密度可用下式表示

高斯脉冲波形在空间传播，也就是在发射以及接收的过程中，对上面的式子进行求导的过程，上式一阶导数为

上式经过傅里叶变换后可得到下式

根据已有的文献报道，天线辐射源可以采用高斯脉冲的相关性质完成对天线的研究，上述的相关表达式也是进行相关研究的关键。

3.2 高斯脉冲激励天线

本次研究中的天线激励源采用的是高斯脉冲波，同时采用的是电测仿真软件，通过对几种常见的超宽带天线仿真实验，明确不同超宽带天线辐射脉冲的能力。

在此以高斯脉冲波形峰值幅度为1V的为例进行分析，仿真期间，在不同天线中心位置约10m处设置探针，通过探针接收不同类型天线超宽带辐射信号形，通过电磁仿真计算分析，不同类型的天线辐射出的波形信号之间有一定的差异。图1与图2所示分别为对数周期天线探针接收到的波形图与阿基米德螺旋天线探针接收到的波形图。此外还有圆片单极子微带天线 、心形 TEM喇叭天线、有限长双锥天线等，不同的波形结果均显示，高斯脉冲波激励形成的天线辐射波与正弦震荡波较为相似，而且表现出逐渐衰弱的趋势。但是在波形的被展宽方面，不同天线类型较为明显，对数周期天线与阿基米德螺旋天线表现出的波形出现了急剧下降，存在着严重的谐振以及拖尾现象，因而在高保真方面较差，但是其它几种类型的天线的高保真较为理想。出现这种差异的原因主要是对数周期天线与阿基米德螺旋天线虽然属于超宽带天线，但是隶属于频变天线，尺寸的不同限制了频率的不同，尺寸越大，对于低频率的限制较为严格，尺寸越小，高频率的限制越严格。频率的升高造成了相位中心的变化，表现出了的振荡越变化越急剧，这说明脉冲辐射天线与传统的超宽带天线之间存在的差异，脉冲的辐射装置不能采用早期的辐射装置。

3.3 圆片单极子天线的时域性能指标分析

在上述的实验中，圆片单极子天线的振荡较小，脉冲辐射能力较为理想，这种天线类型中的阻抗带宽低于30倍频程。图3所示为圆片单极子天线的反射性系数，图中可明显看出，圆片单极子天线的带宽较宽，阻抗带宽可以从2HGz-10GHz，而且还能继续延伸。通过对该天线类型的群延迟Fenix，在某一工作频段内，群延迟数据相对恒定，几乎没有波动，对应的信号在传播过程中的相位差较小，保证了信号传播的稳定性，信号波形发生畸变的概率较小。虽然圆片单极子天线的脉冲时域性能较好，但是它要求的频率较大，在频率较小的情况下，相应的尺寸就需要增加，尺寸的变化会造成相关数据的变化，对应的应用范围也会受到限制。

4 结束语

当前我国在高功率微波系统中脉冲辐射天线方面的研究资料有限，相关的研究工作尚不成熟，通过上文的分析表明脉冲时域天线需要具备特殊的性能参数，其中信号保真度就是一个较为重要的参数，群延迟以及相位中心会影响到信号保真度，进一步的研究还需要后期的深入分析。

参考文献

[1]徐刚，陆巍，丁恩燕，等.紧凑型宽谱高功率微波辐射器仿真设计[J].强激光与粒子束，2015（04）.

[2]刘敏，刘小龙，晏峰，等.小型L波段高功率微波辐射场测量系统接收天线[J].强激光与粒子束，2015（04）.

[3]郑生全，邓峰，王冬冬，等.电子设备和系统射频通道高功率微波电磁脉冲场―路综合防护方法综述[J].中国舰船研究，2015（02）.

[4]徐刚，李才阳，张现福，等.X波段极化可重构高功率微波辐射器仿真设计[J].强激光与粒子束，2015（10）.

[5]许建军，肖开奇，张溪.高功率微波辐射电磁环境模拟系统研究[J].真空电子技术，2016（02）.