一种高增益电磁组合振子天线

技术领域

本发明属于电磁场与微波技术领域，具体涉及一种高增益电磁组合振子天线。

背景技术

超宽谱电磁脉冲主要是指前沿时间和脉冲宽度为ns或亚ns量级、频谱覆盖范围为数十MHz至数GHz的无载频时域电磁波，广泛应用于目标识别与探测、生物医学以及电磁兼容性测试等领域。

超宽谱辐射天线是产生超宽谱电磁脉冲的关键部件之一。典型的可用于辐射超宽谱电磁脉冲的天线有Vivaldi天线、TEM喇叭天线以及电磁组合振子天线等。Vivaldi天线是平面端射天线，其结构简单、质量轻便、易于加工集成，但功率容量受限，并且低频辐射性能较差。TEM喇叭天线和电磁组合振子天线均属于口径天线，电磁组合振子天线是在TEM喇叭天线的基础上通过引入等效磁环来最小化电抗能量从而改善阻抗匹配，获得良好的低频辐射性能。口径天线功率容量较高，可以承受更大幅值的电压脉冲激励，但对于部分激励脉冲而言，如波形前后沿不对称性过大时，时域辐射效率较低。时域辐射效率表现在频域上主要与天线的反射系数、增益等有关，在反射系数相当的情况下，提高天线通频带内的增益可有效提升其辐射因子，进而增强时域辐射效率。如何同时兼顾较高功率容量与较大辐射效率是超宽谱辐射天线研究和设计所面临的技术难题之一。特别的，在采用阵列天线空间功率合成的方式产生超宽谱电磁脉冲时，提高阵元天线辐射因子或辐射效率可以进一步增大阵列天线辐射场强，同时还可减少阵元数目，进而降低成本、缩减阵列天线时间延迟调节工作量等。

综上可知，有必要对电磁组合振子天线展开深入分析研究，为超宽谱电磁脉冲的辐射提供一种同时兼顾较高功率容量和较大时域辐射效率的天线形式和技术方案。

发明内容

本发明的目的是提供一种高增益电磁组合振子天线，通过改进天线几何结构，解决电磁组合天线增益低、时域辐射效率不足的技术问题，为超宽谱电磁脉冲辐射提供一个同时兼顾较大功率容量和较高辐射效率的天线形式。

为达到上述技术目的，解决上述技术问题，本发明的具体技术方案如下：

一种高增益电磁组合振子天线，包括馈电部分、外部金属壳体以及双辐射结构。

馈电部分为50欧姆同轴线转微带功分结构的形式，同轴线外导体与外部金属壳体连接，内导体与微带功分结构的导带连接。微带功分结构为50欧姆微带线转两个100欧姆并联微带线的形式，微带功分结构的接地板与外部金属壳体连接；导带部分的宽度可根据微带线特性阻抗计算公式由填充介质电参数及其厚度计算得到。

外部金属壳体占据一个长方体区域，包括顶部金属壳体、底部金属壳体以及馈电端金属壳体，三个部分均为长方形，并且焊接成一体，以保证机械强度。

双辐射结构由两个辐射体构成。每个辐射体由TEM喇叭及可调电极组成，其中各辐射体的TEM喇叭上极板形状相同，且关于馈电部分中同轴线的轴线、微带功分结构接地板的法线所确定的平面呈对称形式；各辐射体的TEM喇叭共用一个横向宽度恒定的下极板，其宽度与外部金属壳体所占据长方体区域的宽度相同。各TEM喇叭的上、下极板之间的距离沿天线辐射方向是渐变增大的，渐变方式相同，上极板的横向宽度沿天线辐射方向同样是渐变增大的。上、下极板末端分别与顶部金属壳体、底部金属壳体连接，形成矩形辐射口径。每个辐射体的可调电极处于对应辐射体TEM喇叭上极板与顶部金属壳体、馈电端金属壳体之间，可调电极的横向宽度、与下极板之间的距离沿天线辐射方向均是渐变增大的；可调电极起始端均与对应辐射体TEM喇叭上极板连接，末端与顶部金属壳体连接并和馈电端金属壳体上半部分共同构成电流环，以增强低频辐射能力。双辐射结构中的两个辐射体分别由馈电部分中微带功分结构的两个100欧姆微带线馈电，即两个100欧姆微带线导带分别与各辐射体TEM喇叭上极板连接，接地板与下极板连接。

进一步的，馈电部分中的同轴线外导体、微带功分结构接地板均与外部金属壳体中的馈电端金属壳体垂直连接，并且同轴线与微带功分结构分别处于馈电端金属壳体两侧；微带功分结构接地板的宽度与外部金属壳体所占据长方体区域的宽度一致。

进一步的，馈电部分中微带功分结构的填充介质可为空气。

进一步的，双辐射结构中各辐射体TEM喇叭上极板末端宽度不小于100欧姆微带线导带宽度，并且各辐射体的TEM喇叭上极板末端可重叠，但不可超出外部金属壳体所占据的长方体区域。

进一步的，双辐射结构中各辐射体的各类渐变形式可为线性渐变、指数渐变，即双辐射结构中各辐射体TEM喇叭上极板的宽度、上下极板之间的距离以及可调电极的宽度、可调电极与下极板之间的距离沿辐射方向上的渐变形式可为线性渐变、指数渐变等。

进一步的，双辐射结构中各辐射体的可调电极末端横向宽度不小于100欧姆微带线导带宽度，各个辐射体的可调电极起始端沿天线辐射方向的坐标可设置为不同，末端与顶部金属壳体连接位置沿天线辐射方向的坐标也可设置为不同。当各可调电极末端沿天线辐射方向的坐标相同时，二者可重叠。可调电极在不超出外部金属壳体所占据长方体区域的前提下，末端宽度可大于各辐射体TEM喇叭上极板的末端宽度。

进一步的，双辐射结构中各辐射体可调电极与外部金属壳体构成的电流环的面积应小于对应辐射体TEM喇叭上极板与外部金属壳体构成的环形结构面积。

进一步的，馈电部分的微带功分结构中两个100欧姆微带线导带之间的横向距离可根据双辐射结构各TEM喇叭上极板末端宽度和位置通过数值模拟优化等进行合理选取；其他相关参数例如微带功分结构各微带线导带的长度、可调电极的起始端位置和末端位置等均可根据实际设计需求由数值模拟优化获得。

本发明的有效收益如下：

1、本发明提供了一种高增益电磁组合振子天线，引入了两个辐射体进行辐射，并且各辐射体中的可调电极起始端、末端位置可不同，在显著提升增益的同时增加了该类天线的设计自由度。

2、本发明所提供的高增益电磁组合振子天线用于超宽谱电磁脉冲辐射时，可在口径面积不变的情况下，通过高增益可获得较高的时域辐射效率，同时该天线具有较大的功率容量，实现了同时兼顾功率容量和时域辐射效率的目标。

3、本发明所提供的高增益电磁组合阵子天线作为阵元用于超宽谱电磁脉冲阵列天线组阵时，可由更少的单元数实现预定的辐射场强指标，对于降低成本和缩减阵列时延调节工作量意义重大。

附图说明

图1为本发明提供的一种高增益电磁组合振子天线的结构示意图；

图2为本发明提供的一种高增益电磁组合振子天线馈电部分示意图；

图3为本发明提供的一种高增益电磁组合振子天线外部金属壳体示意图；

图4为本发明提供的一种高增益电磁组合振子天线双辐射结构示意图；

图5为本发明提供的一种高增益电磁组合振子天线侧视图；

图6为本发明提供的一种高增益电磁组合振子天线的增益随频率变化曲线；

图7为本发明提供的一种高增益电磁组合振子天线的激励波形；

图8为本发明提供的一种高增益电磁组合振子天线的主轴远区辐射场波形。

结构示意图中的图例如下：

1-馈电部分。11-馈电部分中的同轴线，111-同轴线外导体，112-同轴线内导体，113-同轴线的介质层；12-馈电部分中的微带功分结构，121-微带功分结构中的50欧姆微带线导带，122、123-微带功分结构中两个并联的100欧姆微带线导带，124-微带功分结构的接地板；

2-外部金属壳体。21-顶部金属壳体，22-底部金属壳体，23-馈电端金属壳体；

3-双辐射结构。31、32-分别是双辐射结构中的两个辐射体，311、321-分别是各辐射体中的TEM喇叭上极板，33-各辐射体TEM喇叭共用的下极板，312、322-分别是各辐射体中的可调电极；

4-高增益双辐射结构构成的矩形辐射口径示意框。

具体实施方式

下面结合附图对本发明提供的技术方案进行详细的阐述和说明。

如图1所示，本发明提供的一种高增益电磁组合振子天线包括馈电部分1、外部金属壳体2以及双辐射结构3。

如图2所示，馈电部分1为同轴线11转微带功分结构12的形式。同轴线11包括外导体111、内导体112以及介质层113；微带功分结构12为50欧姆微带线转两个100欧姆并联微带线的形式，结构方面包括50欧姆微带线导带121、两个100欧姆微带线的导带122、123以及共用的接地板124，微带线导带与接地板之间填充介质，介质可为空气。同轴线内导体112与50欧姆微带线导带121连接。50欧姆微带线、两个100欧姆微带线的导带长度分别是L

如图1、3所示，外部金属壳体2占据一个长方体区域，该长方体区域的长、宽、高分别L、W、H，包括顶部金属壳体21、底部金属壳体22以及馈电端金属壳体23，三个壳体均为长方形金属板，并且焊接成一体，以保证机械强度。

如图1、2、5所示，馈电部分1的同轴线外导体111、微带功分结构12的接地板124均与外部金属壳体2的馈电端金属壳体23垂直连接，并且111、124分别处于馈电端金属壳体23的两侧。

如图1、2、4、5所示，双辐射结构3包括两个辐射体31、32，这两个辐射体共用一个下极板33，该下极板与两个并排放置的上极板311、321构成两个TEM喇叭结构，并分别由馈电部分1中微带功分结构12的两个100欧姆微带线进行馈电，即两个100欧姆微带线导带122、123分别与两个辐射体中的上极板311、321连接，接地板124与下极板33连接。并排放置的上极板311、321结构形状相同，并且所处位置关于如图1中的xoy平面呈对称形式。每个辐射体31、32还包括各自的可调电极312、322，分别处于上极板311、321与外部金属壳体2之间。

由于双辐射结构3中各辐射体TEM喇叭结构上极板形状相同，位置对称，因此以311、33为例来说明TEM喇叭结构的位置和形状特征：如图1、4、5所示，上极板311与下极板33之间的距离H

如图1、4、5所示，可调电极312、322与下极板33之间的距离以及z向宽度均沿天线辐射方向即图1、5中所示x方向渐变增大，并且在起始端分别与对应上极板311、321连接，在末端与顶部金属壳体21连接，进而与外部金属壳体2构成电流环结构以增强低频辐射能力，各可调电极末端的宽度为W

上述双辐射结构3中各渐变结构的渐变形式可为线性渐变、指数渐变等，并且整体不超出外部金属壳体2所占据的长方体区域；各上极板311、321末端宽度以及可调电极312、322的末端宽度均不小于100欧姆微带线导带宽度。在此基础上，各上极板311、321末端可重叠，可调电极312、322的末端也可重叠，并且可调电极末端的宽度可大于各上极板的末端宽度。

如图5所示，从天线侧面观察，可调电极312(322)与外部金属壳体2构成的电流环的面积要小于上极板311(321)与外部金属壳体2构成的电流环的面积，在此前提下，双辐射结构3中各可调电极312、322的起始端与末端的x方向坐标可根据需求分别进行优化和设置。图5的示例中两个可调电极位置相同，即两个可调电极312、322的起始端、末端x方向坐标分别一致，与坐标原点O之间的x方向距离分别为L

在外部金属壳体2所占据长方体区域尺寸不变的情况下，本发明所提供的天线相关参数可通过数值模拟优化等进行合理选取。

本发明提供的一种高增益电磁组合振子天线的工作过程及原理如下：如图1、4、5所示，馈电电流由同轴线11进入该天线，经微带功分结构12将馈电电流分成两路，分别馈入到两个辐射体31、32中，并由两个辐射体共同向外辐射。每个辐射体实则是由电振子和磁振子共同构成，其中电振子为TEM喇叭，磁振子是由可调电极与外部金属壳体组成的电流环来等效，经过对电流环即等效磁振子进行合理的优化设计，可最小化天线整体的电抗能量，从而改善阻抗匹配，达到增强低频辐射性能的目的。相比于常规的电磁组合天线，本发明关于磁环的设计提供了更多的自由度，两个辐射体的等效磁环位置、大小均可设置为不同；并且在口径面积不变的情况下，构建了由微带功分结构馈电的双辐射结构，二者的辐射在空间发生叠加，从而可以显著提高增益。对于超宽谱电磁脉冲的辐射而言，提高增益表现在时域上就是增大了其时域辐射效率。

实施例

本发明优选的实施方式是，如图1、3所示，一种高增益电磁组合振子天线所占据的区域是一个长方体区域，长、宽、高分别为L＝397.7mm、W＝300.0mm、H＝302.0mm。

如图1、2、5所示，馈电部分由同轴线和微带功分结构组成，其中同轴线的特性阻抗为50欧姆，微带功分结构为50欧姆微带线转两个100欧姆并联微带线的形式。微带功分结构导带与接地板之间的距离为H

如图1、2、4所示，双辐射结构包括两个辐射体，分别由微带功分结构中的两个100欧姆微带线馈电，这两个辐射体共用一个下极板，下极板的横向宽度沿图1中所示x方向保持不变，为金属壳体所占据长方体区域的宽度W。该下极板与图4中的两个并排放置的上极板分别构成两个TEM喇叭，两个上极板结构形状相同，并且位置关于xoy平面呈对称形式。如图5所示，上极板与下极板之间的距离为H

H

如图4所示，上极板的横向宽度W

W

如图1、4所示，两个上极板在末端与顶部金属壳体连接，下极板末端与底部金属壳体连接，形成矩形辐射口径。

如图1、4、5所示，各辐射体中还设置了可调电极，可调电极的起始端与对应辐射体上极板连接，末端与顶部金属壳体连接，在本实施例中，两个可调电极的起始端位置与末端位置的x方向坐标分别一致，如图5所示，从侧面看过去二者重合。

本实施例中可调电极的构建方式为，首先确定起始端的坐标位置，与坐标原点O的x方向距离为L

为便于比较，在保持外部尺寸不变的前提下设计了常规的电磁组合天线。如图6所示为常规电磁组合天线与本发明电磁组合天线的增益随频率变化曲线对比，从图中可以看到，在0.7至4.8GHz频率范围内，本发明电磁组合天线的增益均大于常规电磁组合天线，在该频率范围内，二者增益差值的均值约为3.3dBi，二者增益差值最大值出现在1.6GHz位置，此时相差6dBi以上，由此可见，相比于常规电磁组合天线，本发明所提供的技术方案可显著提高天线增益。

为进一步考察天线的时域辐射特性，采用如图7所示的半高宽为160ps的高斯波形作为天线的激励脉冲，并分别获得常规电磁组合天线和本发明电磁组合天线的主轴5m位置的辐射场波形，如图8所示。从图中来看，本发明电磁组合天线的辐射场波形正负峰更加对称，且幅值更大，峰峰场强值约4.2V/m，而常规电磁组合天线峰峰场强值约2.7V/m，相比较而言，时域辐射效率提高了50％以上。由此说明，本发明所提供技术方案对于相同激励脉冲的辐射效率更高。

此外值得说明的是，当天线用于辐射超宽谱电磁脉冲时，其时域辐射效率不仅与天线结构有关，还与激励脉冲波形的时间参数有关，上述实施例对所采用的脉宽160ps高斯脉冲激励的辐射效率提升效果显著，而根据增益与时域辐射效率的物理联系可知，对于其他形式的激励脉冲均会有增强时域辐射效率的效果，但提升程度不一定大于50％。

以上内容是结合具体的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。