一种用于辐射超宽谱电磁脉冲的电阻加载对跖Vivaldi天线

技术领域

本发明属于电磁场与微波技术领域，具体涉及一种用于辐射超宽谱电磁脉冲的电阻加载对跖Vivaldi天线。

背景技术

超宽谱电磁脉冲主要指上升时间和脉冲持续时间为ns或亚ns量级、频谱范围为数十MHz至数GHz的时域电磁波，广泛应用于雷达目标探测与识别、电磁毁伤以及生物医学等方面。

超宽谱电磁脉冲辐射天线是产生超宽谱电磁脉冲的关键部件之一。相比于常规的超宽谱电磁脉冲辐射天线例如TEM喇叭天线、电磁组合振子天线等，Vivaldi天线是一种平面端射天线，可由双面覆铜介质板刻蚀而成，易于加工质量轻便，可与全固态脉冲源进行一体化设计与集成，形成一体化辐射单元，并且可以作为超宽谱电磁脉冲辐射阵列天线的阵元使用，使得阵列布局可以灵活调整。特别的，考虑到功率容量的问题，对跖Vivaldi天线更适合用于超宽谱电磁脉冲的辐射。

同常规的超宽谱电磁脉冲辐射天线一致，在对用于超宽谱电磁脉冲辐射的对跖Vivaldi天线的设计、实验测试及应用中，由于天线尺寸的限制，Vivaldi天线馈电端往往存在反射电压，较大的反射电压极有可能对超宽谱脉冲源造成不可逆损伤，进而影响脉冲源使用寿命。而反射电压主要由馈入天线的超宽谱高压脉冲频谱中的直流和部分低频分量构成。

对天线进行电阻加载是吸收馈入天线的超宽谱高压脉冲频谱中直流和部分低频分量的重点技术手段之一。对跖Vivaldi天线的电阻加载，其电阻加载位置通常位于天线表面电流流经的路径上，例如对跖Vivaldi天线指数渐变末端位置等，这种形式的电阻加载虽然可以吸收一部分直流和低频分量，降低天线馈电端的反射电压，一定程度上也可以拓展天线工作频带，但同时将消耗部分本该辐射出去的频谱分量，进而降低了天线自身的增益和辐射效率。如何在天线尺寸不变的情况下，保证天线辐射效率的同时，最大程度的发挥电阻加载吸收直流和低频分量的作用，降低天线馈电端的反射电压，是目前利用对跖Vivaldi天线辐射超宽谱电磁脉冲面临的一个重点难题。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于辐射超宽谱电磁脉冲的电阻加载对跖Vivaldi天线，解决对跖Vivaldi天线辐射超宽谱电磁脉冲时产生较大的馈电端反射电压，容易对超宽谱脉冲源造成不可逆损伤，影响脉冲源使用寿命的技术问题，并最大程度保证天线对超宽谱电磁脉冲的辐射效率。

为达到上述目的，解决上述技术问题，本发明的具体技术方案如下：

一种用于辐射超宽谱电磁脉冲的电阻加载对跖Vivaldi天线，包括介质基板，金属辐射模块，馈电结构以及电阻加载；

介质基板为电介质矩形薄板，厚度为毫米量级；

金属辐射模块包括上表面金属辐射贴片和下表面金属辐射贴片，分别印制在介质基板上下两个表面，并关于介质基板沿长边方向的中心轴线成中心对称；上表面金属辐射贴片和下表面金属辐射贴片形状相同，每个金属辐射贴片的轮廓线中均含有一条椭圆形曲线与一条指数渐变线，上表面金属辐射贴片和下表面金属辐射贴片的指数渐变线构成异面指数渐变槽线，并呈喇叭状开口，喇叭状开口截止于介质基板的一个短边；上表面金属辐射贴片和下表面金属辐射贴片上均开有深度和形状不同的若干槽；上表面金属辐射贴片和下表面金属辐射贴片的椭圆形轮廓线分别与馈电结构构成椭圆形谐振腔；

上表面金属辐射贴片椭圆形轮廓线与馈电结构构成的椭圆形谐振腔为异面椭圆形谐振腔，位于靠近介质基板另一个短边的位置，该异面椭圆形谐振腔金属边界的四分之一是位于介质基板下表面的微带线接地板一侧的椭圆渐变曲线，另外四分之三位于介质基板上表面，为上表面金属辐射贴片的椭圆形轮廓线；下表面金属辐射贴片椭圆形轮廓线与馈电结构构成的椭圆形谐振腔为共面椭圆形谐振腔，大小、金属边界的组成与异面椭圆形谐振腔一致，并且所处位置与异面椭圆形谐振腔关于介质基板沿长边方向的中心轴线上下对称。

馈电结构为微带线-平行双线结构，馈电结构中的微带线起始于介质基板另一个短边的中间位置，导带为直线形，与介质基板长边平行，位于介质基板的上表面，导带宽度由所选定的特征阻抗以及所采用的介质基板的板材相对介电常数和厚度计算获得；微带线接地板位于介质基板下表面，两侧呈椭圆形渐变，宽度沿导带长度方向逐渐变窄，并由微带线过渡至平行双线，分别与上表面金属辐射贴片和下表面金属辐射贴片连接，从而对金属辐射模块进行馈电；

电阻加载为上表面电阻加载和下表面电阻加载；

电阻加载为上表面电阻加载，加载位置和加载方式为，在异面椭圆形谐振腔靠近介质基板短边的一侧，上表面金属辐射贴片和微带线接地板之间开有具有一定宽度，并且平行于介质基板长边方向的异面平行槽线，所加载电阻的一端与异面平行槽线一侧的上表面金属辐射贴片连接，另一端通过金属过电孔与异面平行槽线另一侧的位于介质基板下表面的微带线接地板连接。

下表面电阻加载依据实际需求进行取舍，若进行下表面电阻加载时，加载位置和加载方式为，在共面椭圆形谐振腔靠近介质基板短边的一侧，下表面金属辐射贴片和微带线接地板之间开有具有一定宽度，并且平行于介质基板长边方向的共面平行槽线，所加载电阻的一端与共面平行槽线一侧的下表面金属辐射贴片连接，另一端与共面平行槽线另一侧的微带线接地板连接，不需要通过金属过电孔。若不进行下表面电阻加载时，共面椭圆形谐振腔靠近介质基板短边的一侧无需开共面平行槽线，此时共面椭圆形谐振腔是一个连续不间断的平面椭圆形。

进一步的，异面椭圆形谐振腔与共面椭圆形谐振腔沿介质基板长边方向的半轴半径小于馈电结构微带线导带长度；沿介质基板短边方向的另一个半轴半径小于介质基板宽度与导带宽度差值的四分之一。

进一步的，异面平行槽线的宽度与所加载的上表面加载电阻长度相当，异面平行槽线的长度取决于所加载的电阻数量以及异面椭圆形谐振腔的大小、馈电结构微带线导带的长度。若进行下表面电阻加载时，共面平行槽线与异面平行槽线长度和宽度相同，并且所处位置关于沿介质基板长边方向的中心轴线上下对称。

进一步的，上表面电阻加载的阻值可根据需求自行选择，并可通过多个电阻并联实现所需阻值的电阻加载以此进一步提高功率容量。

进一步的，若进行下表面电阻加载时，下表面电阻加载的电阻数量、阻值与上表面电阻加载一致，二者电流方向均与介质基板短边平行。

进一步的，上表面金属辐射贴片和下表面金属辐射贴片外轮廓线中的指数渐变线方程形式为，y＝c

进一步的，上表面金属辐射贴片和下表面金属贴片上深度不同的若干槽的形状为三角形、矩形或椭圆形及相应组合，其深度沿异面指数渐变槽线喇叭开口方向呈递减。

进一步的，金属过电孔位于异面平行槽线靠近微带线接地板的一侧，与微带线接地板连接，垂直并贯穿介质基板，并与上表面金属辐射贴片平齐；金属过电孔的半径为毫米量级，为保证良好的电连接，开若干金属过电孔。

本发明的有效收益为：1、本发明实现了对跖Vivaldi天线对超宽谱电磁脉冲高效率辐射的同时显著减小了天线馈电端的反射电压，进而可避免反射电压过大导致的超宽谱脉冲源损伤、使用寿命下降等技术风险与问题。

2、本发明在对跖Vivaldi天线上表面金属辐射贴片靠近馈电结构的一侧通过设置异面椭圆形谐振腔并开异面平行槽线进行上表面电阻加载，通过加载电阻极大程度上吸收馈入天线的直流及部分低频分量，在不改变天线尺寸的情况下，显著降低了天线馈电端的反射电压，并最大程度保证了天线对超宽谱电磁脉冲的高辐射效率。

3、本发明所提供的上表面电阻加载结构与方式，可采用较大阻值的加载电阻，在不影响天线辐射效率的同时降低异面椭圆形谐振腔与天线辐射结构输入阻抗的并联阻抗值，可实现一定程度上的阻抗匹配。

4、本发明在指数渐变线两侧的上表面和下表面金属辐射贴片上开有三角形、矩形以及椭圆形或相应组合形状的槽，改善了电流分布，拓展了天线工作频带下限，提高了天线对超宽谱电磁脉冲的辐射效率，并一定程度上实现了天线的小型化。

5、本发明提供的用于辐射超宽谱电磁脉冲的对跖Vivaldi天线由双面覆铜介质板刻蚀而成，加工成本低，便于与PCB形式的全固态脉冲源进行集成，构成一体化的电磁脉冲辐射单元，且体积更小，更适合阵列组阵，有助于提高电磁脉冲辐射阵列天线口面利用率。

附图说明

图1为本发明提供的一种用于辐射超宽谱电磁脉冲的电阻加载对跖Vivaldi天线示意图；

图2为本发明提供的一种用于辐射超宽谱电磁脉冲的电阻加载对跖Vivladi天线上表面金属辐射贴片示意图；

图3为本发明提供的一种用于辐射超宽谱电磁脉冲的电阻加载对跖Vivladi天线馈电结构及电阻加载示意图；

1-介质基板、2-上表面金属辐射贴片，3-下表面金属辐射贴片、4-馈电结构、5-异面平行槽线、6-异面指数渐变槽线、7-金属过电孔、8-上表面电阻加载、21-指数渐变曲线为、22-异面椭圆形谐振腔、23-槽、32-共面谐振腔、41-微带线导带、42-微带线接地板、421-第一椭圆渐变曲线、422-第二椭圆渐变曲线。

具体实施例

下面结合附图对本发明进行详细的阐述和说明。

如图1所示，一种用于辐射超宽谱电磁脉冲的电阻加载对跖Vivaldi天线，包括介质基板1、上表面金属辐射贴片2，下表面金属辐射贴片3，如图1、2所示，馈电结构4以及上表面电阻加载8，如图3所示。介质基板1为具有一定相对介电常数的电介质矩形薄板，长宽分别为L、W，厚度为毫米量级，沿介质基板1长边方向的中心轴线为P

由于上、下表面金属辐射贴片2、3形状相同，因此以上表面金属辐射贴片2为例说明具体实施与构建过程。

如图2所示，上表面金属辐射贴片2外轮廓线中的指数渐变曲线为21，指数渐变方程的形式为y＝c

如图3所示，馈电结构4为微带线-平行双线结构，包括导带41和接地板42。导带41位于介质基板上表面，长度为L

如图1、3所示，上、下表面金属辐射贴片2、3的椭圆渐变轮廓线分别与馈电结构4的微带线接地板42构成两个椭圆形谐振腔。22为异面椭圆形谐振腔，其金属边界的四分之一为位于介质基板1下表面的微带线接地板42的第一椭圆渐变曲线421，金属边界的另外四分之三位于介质基板1的上表面，为上表面金属辐射贴片2的椭圆形轮廓线。32为共面椭圆形谐振腔，均位于介质基板1的下表面，其金属边界的四分之一为微带线接地板42的第二椭圆渐变曲线422，金属边界的另外四分之三为下表面金属辐射贴片3的椭圆形轮廓线。共面椭圆形谐振腔32与异面椭圆形谐振腔22大小一致，并且所处位置与异面椭圆形谐振腔22关于沿介质基板1长边方向的中心轴线P

如图1、3所示，为进行上表面电阻加载，在异面谐振腔22靠近介质基板1短边的位置，上表面金属辐射贴片2与微带线接地板42之间开有宽度为W

如图1所示，下表电阻加载(附图中未示出)可根据实际需求进行取舍，若进行下表面电阻加载时，可在共面谐振腔32靠近介质基板1短边的位置，在下表面金属辐射贴片3与微带线接地板42之间开平行于介质基板长边方向的共面平行槽线(附图中未示出)，在共面平行槽线上进行下表面电阻加载(附图中未示出)，所加载的电阻一端与共面平行槽线一侧的下表面金属辐射贴片3连接，另一端与共面平行槽线另一侧的同处于介质基板1下表面的微带线接地板42连接，不需过电孔。当进行下表面电阻加载时，下表面电阻加载位置(附图中未示出)和上表面电阻加载8的加载位置即共面平行槽线(附图中未示出)与异面平行槽线5关于沿介质基板1长边方向的中心轴线P

如图3所示，金属过电孔7位于异面平行槽线5靠近微带线接地板42的一侧，与微带线接地板42连接，垂直并贯穿介质基板1，并与上表面金属辐射贴片2平齐。金属过电孔7的半径为毫米量级，为保证良好的电连接，可开多个金属过电孔。

本发明所提供的一种用于辐射超宽谱电磁脉冲的电阻加载对跖Vivaldi天线的具体工作过程为，如图1所示，天线介质基板1选用具有一定相对介电常数和厚度的高频电路板材，在介质基板1上下表面构造出以指数渐变线和椭圆曲线为轮廓线、开有深度不同的若干槽的上、下表面金属辐射贴片2、3作为天线金属辐射结构。采用微带线-平行双线作为馈电结构4对天线进行馈电。上、下表面金属辐射贴片2、3和馈电结构4微带线接地板42分别构成异面椭圆形谐振腔22和共面椭圆形谐振腔32，并在异面椭圆形谐振腔靠近介质基板短边的位置设置有异面平行槽线进行上表面电阻加载。工作时，馈电结构4将由超宽谱脉冲源产生并经同轴电缆、同轴连接器馈入的高压脉冲传输至上表面金属辐射贴片2和下表面金属辐射贴片3，经喇叭状的异面指数渐变槽线6向外辐射。上、下金属辐射贴片2、3上所开有的槽23的形式、数量和尺寸可根据优化结果进行组合与选取，通过开槽可进一步改善天线表面电流分布，进而提高天线对超宽谱电磁脉冲的辐射效率。天线辐射结构中的电流经过传输、辐射以及来回反射等，最终，高压脉冲中辐射不出去的直流和部分低频成分通过上表面电阻加载8进行吸收，进而降低了馈电结构4起始位置处的反射电压，同时，由于电阻加载8的位置并不处于天线表面电流分布的路径上，因此并不影响天线对于超宽谱电磁脉冲的辐射效率。从而实现在保证天线对超宽谱电磁脉冲具有较高辐射效率的同时，显著降低天线馈电端的反射电压。

此外，当上表面电阻加载8的电阻值较低时，主要起到吸收直流和部分低频分量的作用，对于减小天线馈电端反射效果明显，而当上表面电阻加载8的电阻值较大时，例如kΩ量级，从天线等效电路结构来看，上表面电阻加载8以及异面椭圆形谐振腔22与天线辐射结构为并联关系，可通过上表面电阻加载8降低并联阻抗值，可实现一定程度上的阻抗匹配。

实施例。

本发明优选的实施方式是，如图1所示，一种用于辐射超宽谱电磁脉冲的电阻加载对跖Vivaldi天线，选用相对介电常数为4.3的FR4板材作为天线介质基板1，厚度为2mm，长度L为480mm，宽度W为240mm。馈电结构4的长度为28.25mm，特性阻抗为50Ω，据此可以计算得到微带线导带宽度为3.75mm。

如图1所示，上表面金属辐射贴片2和下表面金属辐射贴片3形状相同，分别印制在介质基板1的上下两个表面，并关于介质基板1的水平中心轴线P

以上表面金属辐射贴片2为例说明本实施例中天线辐射模块的构建过程。

如图2所示，建立直角坐标系，坐标系原点为微带线导带41与上表面金属辐射贴片2连接位置的中点。上表面金属辐射贴片2包含的指数渐变线21方程为，y＝1.48exp(0.0091x)-3.35。

上表面金属辐射贴片2开有8个深度不同的槽23，槽的形状由矩形和椭圆形的组合构造而成。槽23的深度Ws沿异面指数渐变槽线6的喇叭开口方向呈递减，分别为107.48mm、106.13mm、103.98mm、100.61mm、95.27mm、86.84mm、73.51mm、52.45mm，其他相关参数方面，所开槽23靠近指数渐变线处的槽宽为5.5mm，用于构造槽的椭圆形的x方向半径为20mm，y方向半径同槽深W

如图1、2所示，上表面金属辐射贴片2轮廓线包含一条椭圆曲线，为四分之三椭圆形，与如图3所示的微带线接地板42的椭圆渐变曲线421(四分之一椭圆形)共同构成异面椭圆形谐振腔22，该椭圆形谐振腔沿介质基板1长边方向的半轴半径R

如图1所示，在完成上表面金属辐射贴片2的构建后，以介质基板1的水平中心轴线P

如图1、3所示，在本实施例中，设置了异面平行槽线5并进行上表面电阻加载8。具体为，在异面谐振腔22靠近介质基板1短边的位置，在上表面金属辐射贴片2与微带线接地板42之间开有平行于介质基板长边方向的异面平行槽线5，异面平行槽线5在介质基板1矩形面上的投影宽度为4mm，与常用的贴片电阻长度一致，槽线长度为8mm。如图3所示，在异面平行槽线5上进行上表面电阻加载8，，所加载的电阻一端与异面平行槽线5一侧的上表面金属辐射贴片2连接，另一端与异面平行槽线5的另一侧，通过半径1mm的金属过电孔7与位于介质基板1下表面的微带线接地板42连接。金属过电孔7位于异面平行槽线5靠近微带线接地板42的一侧，与微带线接地板42连接，垂直并贯穿介质基板1，并与上表面金属辐射贴片2平齐。

在本实施例中，上表面电阻加载8所加载的电阻数量仅一个，阻值为50Ω，也可根据异面平行槽线5的长度，通过并联3个150Ω电阻实现50Ω阻值的电阻加载，这样可以保证较高的功率容量，以免在辐射超宽谱电磁脉冲过程中发生电阻击穿。且所开金属过电孔7的数量为一个，为保证良好的电连接，可适当增加金属过电孔的数量。

在本实施例中，未进行下表面电阻加载，若进行下表面电阻加载时可以按照异面谐振腔22处的电阻加载方式，在共面谐振腔32对应位置进行电阻加载，与上表面电阻加载8不同，下表面电阻加载不需要开金属过电孔。

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。