天线用于高功率微波功率测量的研究.pdf

国防科学技术大学 硕士学位论文 偶极天线用于高功率微波功率测量的研究 姓名：周恒 申请学位级别：硕士 专业：物理电子学 指导教师：舒挺;樊玉伟 20071101 重防科学技术大学研究生院硕l 上学位论文 摘要 在高功率微波功率测量中，减小测量中接收天线的有效面积以降低其所接收 的微波功率，具有非常重要的实际意义。 本文采用数值模拟和实验相结合的方法，对具有较小有效面积的短偶极天线 进行了较为系统、深入的研究。 首先，对常规偶极天线进行了数值模拟研究，得到了一些天线参数与其尺寸 的关系。在此基础上，从减小天线的有效面积，从而减d , n 量系统接收功率的角 度_ 出发，提出了用短偶极天线进行高功率微波功率测量的思路。通过数值模拟， 研究了中心频率为1 7 5 g h z 偶极天线的特性”：当缝隙长度在2 0 “ - - - - 4 4 m m 范围内变 化时，天线增益在2 3 “ - - 一1 0 d b 内变化，缝隙长度在l 4 附近处，天线的增益有最大 值。当缝隙宽度在0 6 2 0 m m 范围内变化时，天线的增益在1 5 “ - - “ 1l d b 内变化， 天线的增益随缝隙宽度变大而变大。天线的有效面积对缝隙长度较为敏感，缝隙 长度在v 4 附近处，天线的有效面积有极大值。有效面积对缝隙宽度较为敏感，短 偶极天线的缝隙宽度在0 6 - - - , 2 m m 范围内变化时，天线的有效面积在0 8 “ - - - - 2 0 c m 2 内变化。缝隙长度在l 4 | ；| ；| 近处，天线的反射率有极小值6 3 。在频带1 1 5 , - - - , 2 2 5 g h z 内，天线的增益随频率变大而变大。 在短偶极天线特性研究的基础上，设计了一个中心频率为1 7 5 g h z 的短偶极 天线。其同轴线内导体半径为1 5 m m ，外导体内半径为3 5 m m ，外导体外半径为 5 5 m m 。缝隙长度取3 5 m m ，缝隙宽度取l m m 。反射率为7 8 1 ，增益为1 2 。4 d b ， 有效面积为1 3 4 c m 2 。 其次，用数值模拟的方法，设计了一个中心频率为3 6 5 g h z 短偶极天线。网 轴线内导体半径为1 5 r a m ，外导体内半径力3 5 m m ，外导体外半径为4 。5 m m 。缝 隙长度取1 0 m m ，缝隙宽度取2 m m 。得到s 波段短偶极天线增益为1 2 8 d b ，有效 甄积为0 2 8 c m 2 ，在频带3 4 5 “ - - - 3 8 5 g h z 内，增益与频率近似为线性关系。 最后，通过实验，分别验证了所设计的l 波段短偶极天线和s 波段短偶极天 线用于高功率微波功率测燕的可行性。其中，l 波段偶极天线增益的模拟结果 1 2 4 d b 与标定值1 2 5 d b 只差0 。l d b 。 主题词：短偶极天线功率测量高功率微波 第i 页 国防科学技本大学研究生院硕士学位论文 a b s t r a c t i t i so fg r e a ts i g n i f i c a n c et od e c r e a s et h ee f f e c t i v ea r e ao far e c e i v i n ga n t e n n at o f e d t l c et h er e c e i v e dm i c r o w a v ep o w e r n u m e r i c a ls i m u l a t i o n sa n de x p e r i m e n t sh a v e b e e nd o n et oi n v e s t i g a t es h o r td i p o l ea n t e n n a sw i t hs m a l le f f e c t i v ea r e a s f i r s t l y , c o n v e n t i o n a ld i p o l ea n t e n n ai s s t u d i e db yn u m e r i c a ls i m u l a t i o n s ，a n dt h e r e l a t i o n s h i pb e t w e e na n t e n n ap a r a m e t e r sa n di t ss i z e si s o b t a i n e d a n db a s e do nt h i s r e l a t i o n s h i p ，s h o r td i p o l ea n t e n n ai sb r o u g h tf o r w a r d t om e a s u r eh p mp o w e r , w i t ht h e p u r p o s eo fd e c r e a s i n gt h ee f f e c t i v ea r e ao fa na n t e n n a , a n da c c o r d i n g l yr e d u c i n gt h e r e c e i v e dp o w e r t h ec h a r a c t e r i s t i c so fs h o r td i p o l ea n t e n n aw i t hc e n t r a lf r e q u e n c y 1 7 5 g h zh a v eb e e ns t u d i e dt h r o u g hn u m e r i c a ls i m u l a t i o n s t h eg a i no ft h ea n t e n n a v a r i e sf - r o m 2 310 d bw h e nt h el e n g t ho ft h es l o tv a r i e sf r o m2 0 4 4 m m ，a n dt h eg a i n 弧s 也em a x i m u mv a l u ew h e nt h el e n g t ho fs l o ti sa b o u tx 4 w h e nt h ew i d t ho fs l o t v a r yf r o m0 6m t nt o2 0m m ，g a i nv a r i e sf r o m 一15d bt o - 1 1d ba n dt h eg a i ni n c r e a s e w i t ht h ew i d t ho ft h es l o t t h ee f f e c t i v ea r e ao ft h ea n t e n n ai ss e n s i t i v et ot h el e n g t ho f t h es l o ta n dh a sr e a c h e dt h em a x i m u mv a l u ew h e nt h el e n g t ho fs l o ti sa b o u tl 4 。i ti s a l s os e n s i t i v et ot h ew i d t ho ft h es l o t ，a n dt h ee f f e c t i v ea r e av a r i e sf r o m0 8c m 2t o 2 0 c n l 2w h e nt h ew i d t ho fs l o tv a r yf r o m0 6 m mt o2 m m t h er e f l e c t i v i t yo f t h e a n t e n n a h a sr e a c h e d l em i n i m u mv a l u eo f6 3 w h e nt h el e n g t ho fs l o ti sa b o u tv 4 t h eg a i n i n c r e a s e sw h e nf r e q u e n c yr i s e si nt h er a n g eo f1 15 - - - 2 2 5 g h z b a s e do nt h ec h a r a c t e r i s t i cr e s e a r c ho fs h o r td i p o l ea n t e n n a e ，as h o r td i p o l ea n t e n n a w i t he e n t r a lf r e q u e n c y1 7 5 g h zi sd e s i g n e d t h er a d i u so fi n n e rc o n d u c t o ro ft h e c o a x i a ll i n ei s1 5 m m ，a n dt h ei n n e ra n do u t e rr a d i u so fe x t e r i o rc o n d u c t o ri s3 5 m m ， a n d5 5 m m , r e s p e c t i v e l y 。t h el e n g t ho fs l o ti s3 5 m ma n di t sw i d t hi s l m m 。t h e c a l c u l a t e dr e f l e c t i v i t yo ft h es h o r td i p o l ea n t e n n ai s7 8 1 ，a n di t sg a i ni s - 12 4 d b ，w i t h 雏e f 受c t i v ea f e ao f1 3 4 c m 2 s e c o n d l y ，as h o r td i p o l ea n m n n aw i t hc e n t r a lf r e q u e n c y3 6 5 g h zi sd e s i g n e d t h e r a d i u so fi l m e rc o n d u c t o ro fc o a x i a ll i n ei s1 5 m m ，a n dt h ei n n e ra n do u t e rr a d i u so f e x t e r i o rc o n d u c t o fi s3 5 m ma n d4 5 m m , r e s p e c t i v e l y t h el e n g t ho ft h es l o ti s1 0 m m ， a n dt h ew i d t hi s2 m m t h eg a i no ft h es h o r td i p o l ea n t e n n ai s - 1 2 8 d bw i t ha ne f f e c t i v e a r e ao f0 2 8 c m 2i ns - b a n d 。a n di nt h eb a n do f3 4 5 - - - - 3 8 5 g h z ，t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e n g a i na n df r e q u e n c yi sa p p r o x i m a t e l yl i n e a r 。_ _ _ _ _ _ _ _ 一 第i l 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 f i n a l l y , t h ef e a s i b i l i t yo fm e a s u r i n gh p mp o w e rw i t ht h ed e s i g n e dlb a n da n ds b a n ds h o r td i p o l ea n t e n n a eh a sb e e nc o n f i r m e db ye x p e r i m e n t s k e yw o r d s s h o r td i p o l ea n t e n n ap o w e rm e a s u r e m e n t h p m 第i i i 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 图目录 图1 1功率测量系统的构成3 图2 1用同轴线馈电的对称振子7 图2 2 套筒式振子天线7 图2 3偶极天线的结构示意图8 图2 4 缝隙馈电中开缝区t e m 模与t e l l 模的叠加8 图2 5 偶极天线模型1o 图2 6同轴线馈电口的电场分布1 0 图2 7 偶极天线辐射方向图11 图2 8 偶极天线增益与其臂长的关系1 2 图2 9 常规偶极天线增益与缝隙长度的关系1 2 图2 1 0 常规偶极天线增益与缝隙宽度的关系1 3 图2 1 1 常规偶极天线的增益与同轴线外导体内径的关系1 3 图2 1 2 常规偶极天线的反射率与振子臂长的关系1 4 图2 ，1 3 常规偶极天线的反射率与缝隙长度的关系1 4 图2 1 4 常规偶极天线的反射率与缝隙宽度的关系1 5 图2 1 5 常规偶极天线的反射率与同轴线外导体内径的关系1 5 图2 1 6 常规偶极天线的增益( d b ) 与频率f ( g h z ) l 均关系1 6 图2 1 7 常规偶极天线的有效面积与频率的关系1 7 图2 1 8 偶极天线反射率与频率的关系1 7 图3 1常规偶极天线到短偶极天线的演变过程1 8 图3 2 短偶极天线计算模型图19 图3 3短偶极天线辐射方向图( 砌，= 0 。) 2 0 图3 4 短偶极天线的增益与缝隙长度的关系2 0 图3 5 短偶极天线的增益与缝隙宽度的关系2 1 图3 6 短偶极天线的有效面积与缝隙长度的关系2 1 图3 7 短偶极天线的有效面积与缝隙宽度的关系2 2 图3 8 短偶极天线的反射率与缝隙长度的关系2 2 图3 9 短偶极天线的反射率与缝隙宽度的关系2 3 图3 1 0 偶极天线增益与频率的关系2 3 图3 11 偶极天线有效面积与频率的关系2 4 图3 1 2 偶极天线反射率与频率的关系2 4 图4 1测量布局示意图2 7 第1 v 页 国防科学技术大学研究生院硕上学位论文 图4 2l 波段短偶极天线实物图2 8 图4 3l 波段短偶极天线的测量状态2 8 图4 4 实验波形3 0 图4 5s 波段短偶极天线实物图3 2 图4 6 对比测量布置3 3 图4 7b j 4 0 和我们设计的短偶极天线测得的波形3 4 图4 8 从俄购置的短偶极天线测得的波形3 4 图4 9 微波频率测量得到的波形3 5 第v 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 表目录 表4 1 衰减器的衰减值2 8 表4 2 检波器的灵敏度( f r e q = 1 7 5 g h z ) 2 9 表4 3 接收天线的增益( f r e q = 1 7 5 g h z ) 2 9 表4 4 测量参数及测量结果3 5 第1 i i 页 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已 经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术大学或其它教育机构的学 位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文题目：堡拯丞绫周王直边室邀达功空趔量的盟塞 学位论文作者签名： 圆! 兰日期：加。汐年上月哆日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解国防科学技术大学有关保留、使用学位论文的规定。本人授权国 防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子文档，允 许论文被查阅和借阅；可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密学位论文在解密后适用本授权书。) 日期：加。孑年) 月, - 7 日 日期：训暑年月7 日 国防科学技术大学研究生院硕士学僚论文 第一章绪论弟一早瑁化 高功率微波( h i g hp o w e rm i c r o w a v e ，h p m ) 通常是指峰值功率大于i o o m w ， 频率在1 g h z ，- - 3 0 0 g h z 的电磁波。由于高功率微波与常规微波在功率上的巨大差 别，使得高功率微波技术有别于常规微波技术f l 卅，形成了一个全新的研究领域。 高功率微波技术是2 0 世纪7 0 年代以来随着脉冲功率技术的发展弼产生的一 门新兴学科，是脉冲功率技术、相对论电子学、等离子体物理及电真空技术相结 合的产物1 5 1 。脉冲功率技术的发展，使得强流加速器能够产生数兆伏或更高的脉冲 高电压和电流大于多釜安的带电粒子束流。等离子体物理和相对论电子学理论为准 确把握这种粒子束流的行为提供了理论指导。 乍为一门学科，高功率微波是几个历史发展趋势集中的结果。微波是由人工 产生的电磁波谱的第一部分。十九世纪到二十世纪中叶微波的研究工作主要集中 在较低频段和较低功率的范围内。此期间涌现出大量的低功率的微波源。二十世 纪五十年代，p r o j e c ts h e r w o o d 标志着用于产生热量的可控热核聚变研究的开始， 与这项工作相配合的理论和实验研究导致对粒子与波相互作用的详尽认识。在六 十年代，脉冲功率技术的弓| 入使电技术得到扩展，导致电流超过1 0 k a 、电压1 m v 甚至更高带电粒子束的产生。这对于高功率微波的发展具有重要意义。近十几年 来，可能的军事应用以及工业应用为高功率微波学科的发展提供了基本的动力。 摹于这种需求的驱动，高功率微波研究近年来取得了飞速的发展。到豳前为止， 高功率微波的发展已经走过了“单一功率追求”与单纯性新概念探索的阶段，研 究的重点已经转移到与高功率微波实际应用有关的更为细致的技术上1 。 高功率微波的高功率和高能量的特点使得它在定向能技术、高灵敏性超远距 离雷达、等离子体加热、射频电子囊线加速器、环保工程、激光泵浦、功率群聚 束传输等方面的应用前景光明。到目前为止，高功率微波在许多领域广阔的应用 前景引起了许多学者和研究入员的重视。 高功率微波技术不仅要解决这个学科理论上的问题，还要解决一系列技术问 题。高功率微波测量是在高功率微波领域进行量值测定并保持统一的一门专门技 术，它与高功率微波理论、技术共栖交融，是必不可少的组成部分。测量是科学 的眼睛，没有测量的科学是盲目的科学，从这种意义上，可以说没有高功率微波 测量就没有今天高度发展的高功率微波理论、技术与应用。到基前为止，高功率 微波的发展重点在于提高其功率和能量，以及拓展更为广阔的频段。随着这几方 丽的发展，高功率微波测量方面存在的问题也就接踵两来，迫切需要解决。 第l 页 鬻防科学技术大学研究生院硬r 上学侮论文 1 1高功率微波功率测量技术简介 高功率微波具有功率裔、脉冲持续时间短、单脉冲( 或脉冲率) 等特点。这些特 点决定了高功率微波不能完全采用常规微波的测量方法进行测量，幽于测量过程 中环节多，从丽弓| 入麴误差帮不确定性因素较多，所以国内外高功率微波测譬一 直存在潜各种不同的问题，这些问题在后面会涉及到。随着高功率微波技术的发 震，国内外均对离功率微波酶测量方法帮手段进行了深入的研究，使之在缀大程 度上得到了发展和改进。 高功率微波测量包括脉宽、频率、功攀以及模式等主要参数的测量。高功率 微波的脉宽可由数字示波器直接读取；频率可采瘸色散线、混频等方法院较准确 地测得；其中，功率、模式测量较为困难。本文主要研究高功率微波的功率测量。 褰功率微波功率撼量采焉照常翘方法有麓量诗法、近场测量法、波导耦合法、 远场测量法等多种方法。美国人还使用了截止法测量微波功率 6 1 。由于受到多种因 素限制，所墩较准确地测量高功率徽波功率有一定的难度。测量熬基本思想是通 过测量与功率相关的参数，从而进行变换求澄功率，如能量计法；或将高功率降 为低功率，来进行测试，如波导耦合法、远场测量法等。但就目前蕊功率微波测 量技术盼发展情况看，匿内外还没有一个标准的、统一的测量方法。 九十年代初，国防科技大学采用双碳斗补偿型能量计【6 j ，测量了虚阴极振荡激 麟高功率微波发生器稻癸仑辩夫囱鸯电子激光器产生戆矗功率徽波的徽波笺量和 平均功率；西北核技术研究所利用热敏电阻阻值和温度的关系，确定电阻随温度 变髻二熬灵敏度，进蒋进行数据采集，雄算獭湿舞，计算出微波功率1 7 j 。国防科技大 学在近场采用磁光传感技术进行了功率测量箨 ，测试时在与辐射源口截面平行的平 面上进行多点扫描，然后通过后处理方式进行近场一远场变换，最终求出辐射场 的功率魏o l 。这种方法优点在于对测量场地要求低，缺点是对测量系统的功率容量 要求很高。国防科技大学还使用了波导耦合法、截止法【1 2 】和远场测量法【协”】对 微波功率避幸亍了测定，同时，对远场测量法中存在鲶误差和榴关修正进行了研究 1 6 - 1 8 0 本文麓实验研窕采用远场测萎法。远场测量法是墨前圈内终普遍采用的静 高功率微波功率测量予段。在测量微波功率的同时，还可以根据测褥的辐射方向 图进行模式分析。与近场测量相比，远场测量的接收天线相对发射天线较远，微 波在转播的过稷孛有很大的空闻衰减，这在一定程度土藏轻了接收天线麴负担。 但是远场测量要求测量空问较大，更容易受到环境的影响。 第2 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 1 2 高功率微波功率测量中存在的问题 高功率微波功率测量系统构成如图1 1 所示。 图1 1 功率测量系统的构成 在实际的测量中，由于高功率微波功率极高，测量系统经常发生击穿现象。 尽管远场测量由于空间衰减，大大减小了接收天线的接收功率，但由于高功率微 波技术的不断发展，微波辐射功率越来越高，脉宽越来越长。这对微波测量系统 提出了更高的要求。在这种情况下，减小测量系统的接收功率，提高测量系统的 功率容量变得十分迫切。 减d , n 量系统的接收功率，可以增加接收天线和发射天线的距离，但存实际 测量中，往往受到场地空间的限制，另一方面，接收天线和发射天线的距离变大 时，接收天线受环境的影响也会相应变大，这将在很大程度上影响到测量的精度。 接收天线在测量系统中起着十分重要的作用，它接收到功率的大小直接关系 到后续测量元件的是否会被击穿。故研究接收天线，减小接收天线的有效面积， 进而减小其接收到的微波功率，对高功率微波测量具有重要意义。 1 3 本课题的研究内容 本文首先对常规偶极天线的馈电方式进行了讨论，然后通过建立偶极天线模 型，对其进行数值模拟，得到了偶极天线增益与振子臂长、缝隙长度、缝隙宽度、 同轴线外导体内半径和频率的关系；有效面积与频率的关系；反射率与振子臂长、 缝隙长度、缝隙宽度和频率的关系。 其次，从减小天线的接收功率出发，提出了用短偶极天线进行高功率微波测 量的思路。然后用与研究常规偶极天线类似的方法，对工作在l 波段的短偶极天 线进行数值模拟，得到短偶极天线增益与缝隙长度、缝隙宽度和频率的关系；有 效面积与频率的关系；反射率与缝隙长度、缝隙宽度和频率的关系。通过参数优 化，设计了工作在l 波段的短偶极天线。用类似的方法，研究并设计了工作在s 波段的短偶极天线。 第3 页 嚣防辩学技术大学舞究燕院颈土学位论文 最后，分别加工了l 波段的短偶极天线和s 波段的短偶极天线，进行了相关 标定，并将其分别安置在测量现场进行了测鬟；以长脉冲形成线驱动l 波段m i l o 为测试对象，对l 波段的短偶极天线与截止波导b j 3 2 进行了对比测量；以 t o r c h 0 1 驱动s 波段相对论返波管为测试对象，对此s 波段短偶极天线与截止 波导b j 4 0 帮麸戢罗斯购置的短祸极天线进行了对毙测量。验证了蘧偶极天线髑于 高功率微波功率测量的可行性。 第4 页 重防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第二章常规偶极天线的研究 本章利用电磁场计算的相关方法得到偶极天线的一些基本特性。讨论了常规 偶极天线系统的馈电方式。用数筮模拟的方法，褥到了常规偶极天线些增益、 反射率与其相关尺寸的关系，并对其增益、有效面积和反射率与频率的关系进行 了研究。 2 1 常规偶极天线的辐射特性 2 1 1 偶极天线的辐射场分布 著偶极天线长度l 远小于波长( 三羹盖) ，剡偶极天线的电流近似为均匀分布 i = o ” 根据电磁场辐射理论【2 ，计算可得偶极天线的电场为： 霉= 警专+ 寺 易= 警【等+ 万1 痧1 磁场为： 戤= i o l _ s i norejatt-(rc)lt 詈“ + 尹1 h r = h o = 0 远场情况( ，口五) 只有两个有效场分量： 易=攀哗竺【去+剖1=j辱i嫩。fll2rce豳舻删o j c o c r j c o r 。 鼍溉毋r 曰。：坦生地丝：竺：! ：，i 。f l ls i no d n 卜洲c ) 1 穸4 ，r c r。4 x r 2 _ 1 _ 2 俚搦壬垒参的辐射由阴 ( 2 1 ) 0 2 ) ( 2 3 ) ( 2 。4 ) ( 2 5 ) ( 2 6 ) 平均坡印亭矢量为： = 丢r e ( 蓉置毒) ( 2 。7 ) 远场分量是岛和吼，故平均坡印亭矢量的径向分量为 第5 页 1 s 2 吉r e ( 易嘭) ( 2 8 ) 又远场分量间有着媒质本征阻抗的联系，即 易2 以z 一以拦 ( 2 9 ) 于是， 母2 j 1r e ( z _ 或) = 丢l 以1 2r e z = 丢l q l 2 摆( 2 1 0 ) 总的辐射功率为 尸= 肛出= 霸而 ； 亿 由2 1 1 小节可知， 阱警 ( 2 1 2 ) 于是， _ 1 摆, 3 1 2 0 l 2 - 胁阳删= 据等亿 此为平均功率，设尼为辐射电阻 肚2 见 ( 2 1 4 ) 得到 b = 摆譬 亿均 对于空气，0 而= 瓜= 3 7 7 d ，故均匀电流的偶极子辐射电阻为 p 8 嘣( 争2 ( 2 1 6 ) 一般说来，天线的输入阻抗不等于辐射阻抗。但微波波段的天线效率较高，导 体损耗较小，天线的输入能量几乎全部用于辐射。故可以认为工作在微波波段的 天线输入阻抗等于其辐射阻抗。由( 2 1 6 ) 式可知，偶极天线的辐射电阻很小，且随 偶极天线的长度l 减小而减小。在下一章中，利用了这一特点，通过阻抗失配引 2 2 常规偶极天线系统的馈电方式 第6 页 星防糕学技术大学礤究生院硕士学饶论文 用导线向振子馈电在很多场合是不好的。双导线或多导线随波长缩短，有很 明显的辐射。此外，天气也会对导线有影响。因此，在分米波和厘米波波段，大 多数场合都用同轴线向振予馈电。 同轴线馈电的振子天线有很多类型，如套筒式振子天线，不对称偶极天线和 缝隙激励偶极天线等阳。 f j l 7 h b 网2 1用嗣轴线馈电的对称振子 把同轴线和对称振子直接连接进行馈电存在一些问题，比如振子两臂的激励 不对称，同时还会激励同轴线外导体的外表面，这是因为：由图2 1 ，内导体的电 流l l 等于和内导体连接的援子臂端点的电流，而沿外导体态表露的电流则分成两 部分：一是沿同轴线外导体外表面的电流1 4 ，另一是和外导体连接振子臂端点的电 流1 3 。这时1 3 + 1 4 = 1 2 一i l 。显然1 3 不等于1 2 。振子两鹫上电流振幅和相位的关系可能 是各种各样的，因而会使方向图有很大畸变。此外，同轴线外表面的漏电流还会 引起很大损耗和额外的方向图畸变。 l | _ j 罄麓 图2 2 套筒式搌子天线 套筒式振子天线( 如图2 2 所示) 在一定程度上抑铡了振子与月轴线外表面的 耦合，但这种天线由于振子的一个臂( 套筒的外表面) 有很大的直径。在厘米波 段，这个直径可以和波长相比较，因而方向图有很大的畸变。实际上不希望振子 臂的直径大予2 , 4 。这种天线的另一个缺点是套筒并不能完全消除同轴线外表面 的电流渗入。而且它只能存很窄的频带里和线外表面去耦【2 2 j 。 第7 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 为了增加振子和f 可轴线外表面的去耦作用，还可以采用u 形电路和在同轴线 终导体上加电流补偿电路等方案来实现。 偶极天线一般采用对称激励方式，其结构示意图2 3 所示，偶极天线的两臂接 在外导体上，而外导体从中间与偶极轴线垂逝的方向开两个长缝s ，内导体与外导 体一段在接线柱p 短路，它一般位于偶极辘线上，键也可以插入在开缝区沿线任 意点。因此，这一系统类似于终端开路式和管状终端天线，兼有这两种天线的结 构特点。 l ： i i i 一： i i l l ：i l i p _ 一 ii ：i i l ： l l li 图2 。3 偶极天线的结构示意图 这种天线的工作原理可从几个方面解释。一般认为辐射的激励是缝隙间的电 压。考虑缝区电场，此缝隙电压便一目了然。当不存在短路点p 时，线上有t e m 模以及由于终端开口所产生的高次模，或缝宽时由缝隙本身激励的高次模。然谣， 所有这些模在缝隙轴线平面内都是对称的，缝隙两边不产生压差，在这些条件下， 偶极子无激威。弓| 入短路片后，所激起的模式关于由短路片轴线和恣导体轴线决 定的平面对称，这些模式与前述模式叠加后的场在短路片表明切向电场分量为零。 窄缝情况下，缝隙激励的模式可以忽略不计。高次模的主要作用是削弱截止条件， 从而允许在开缝区传输由短路片激励起的一部分高次模，主要是t e ll 模。图2 4 所示t e l l 模如何与t e m 模叠加使总场满足短路片存在时的边界条件。总场在 t e m t e l l 黔邑一 图2 4 缝隙馈电中开缝区t e m 模与t e l l 模的叠加 导电短路片上为零，由这里开始，极角增大时场强增大，与短路片相对的一面场 强增加到最大值。在缝隙的一边，由于有短路器连接，其电势和同轴线内导体的 相同，在缝隙的另一边，由于有缝隙隔开，它保持有符号相反的电势。显然，这 使开缝处形成电势差，该电势差越靠近缝隙的下端就越小，最下端的电势差就等 第8 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 于零。由于外导体的上端有电势差，从而使偶极得以激励。如果取缝隙长度等于v 4 ， 同轴线外导体的外表面上电流会很小。当工作波长变化使得裂缝的长度不等于l 4 ， 则在同轴线外导体的外表面上会出现电流，但是这个电流在裂缝的两边数值相等， 方向相反，不会产生交叉极化辐射，振子两臂的电流仍然相等，不会破坏对称性， 故这种天线具有比较宽的频带【2 3 1 。同时，这种结构的偶极天线比前面的天线的工 作波长都宽。鉴于缝隙激励偶极天线的优点，选用对称激励偶极进行研究。 2 3 常规偶极天线的仿真与分析 2 3 1 电磁场数值算法在天线分析和设计中的意义 2 0 世纪4 0 年代，世界上出现了第一台计算机，它的出现意味着一个新时代的 开始计算机的发明大大推动人类文明的进程计算机被誉为“大脑的延伸”，能够 在很短时间内完成以往需要大量人力时间的计算任务，并且出错概率极低，它将 人们从繁重而琐碎的计算工作中解放了出来伴随着计算机的诞生，与之相关的许 多新的学科也得以建立发展起来，其中就包括计算电磁学；它所研究的内容是如 何将“公式化”的理论化解为数值计算方法，并尽可能最大程度的利用现有计算 机资源来解决研究应用中所遇到的电磁场问题对于天线的分析与设计而言，计算 电磁学的出现的确可说是开启了一个新的篇章。 实际的偶极天线其结构比较复杂，利用理论分析难以得到具体结果，所以， 通常采用模拟的方法对其进行分析和设计。 2 3 2 常规偶极天线模型的建立 如图2 5 所示，建立偶极天线模型，它主要由对称振子和开缝隙的同轴导线构 成。其中，r l 为振子横截面半径，r 1 亦为同轴导线内导体半径，r 2 为同轴线外导 体内半径，r 3 为同轴线外导体外半径，w 为缝隙的宽度，l 2 为缝隙的长度，2 l l 为振子的长度。整个系统选用的金属材料为黄铜。 在模拟中，从同轴线的一端馈入t e m 模电磁波。在馈电口的电场分布如图2 6 所示，馈入功率为1 w ，观察整个系统中电磁波的传播和辐射情况。为了使模拟在 有限的区域内进行，需要选择一个辐射边界，在这个边界上，电磁波被吸收而不 会反射。 由于同轴线靠近缝隙的部分除了有t e m 模，同时会激励出高次模，所以在建 模时，为了使电磁波在同轴线中以t e m 模式传输一段距离，需留出一段未开缝的 部分。 在模拟之前，我们为了使天线的阻抗尽量匹配，以便观察天线的特性，故选 第9 页 国防科学技术大学研究生院硕_ j j 。学位论文 定。j ，特定火线尺寸。如i 刊轴线内外径比值等。如果天线某一尺寸偏离初始设定值 时，柏一l i j 能就会导致相应的m 抗变化，阻抗匹配程度变差，进而使反射率变大。 我们的同的就是通过参数扫捕，找到由于尺寸变化而显著影响阻抗的相关尺寸， 进而设计我们需要的天线。这卫设天线的初始尺寸为：r l = 1 5 m m ，r 2 = 4 1 m m ， r 3 = 5 5 m m ，w = 3 m m ，l 1 = 4 2 8 m m ，l 2 = 4 2 8 m m 。 正面透视图俯视图 1 偶极天线的两臂；2 缝隙；3 同轴线的内导体；4 i 司轴线的外导体 图2 5 偶极天线模型 图2 6同轴线馈电口的l 【l 场分布 第1 0 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 图2 8 偶极天线增益与其臂长的关系 2 3 3 2 常规偶极天线的辐射增益与缝隙长度的关系 图2 9 常规偶极天线增益与缝隙长度的关系 图2 9 给出了常规偶极天线增益与缝隙长度的关系，当缝隙长度在8 8 1 2 8 m m 内变化时，天线的增益在2 2 7 , - - 一2 9 5 d b 范围内变化，变化稍大，但不超过 0 7 d b 。当缝隙长度存1 3 8 “ - - - 4 2 8 m m 内变化时，天线的增益在3 2 9 3 5 6 d b 范围内 变化，变化较小，不超过o 1 7 d b 。需要说明的是图中的增益不包括s l l 反射的影响。 第1 2 页 国防科学技术大学研究生院硕上学位论文 2 3 3 3 常规偶极天线的辐射增益与缝隙宽度的关系 图2 1 0 常规偶极天线增益与缝隙宽度的关系 常规偶极天线增益与缝隙宽度的关系如图2 1 0 所示，当同轴线外导体内径在 2 6 5 9 m m 内变化时，天线的增益在3 3 d b 附近变化，变化较小，不超过o 1 6 d b 。 2 3 3 4 常规偶极天线的辐射增益与同轴线外导体内径的关系 鼍 3 。5 _ 木一、卜卜一 3 岔2 5 1 0 ￥2 01 5 1 0 5 u 23456 t h ei n n e rr a d iu so fe x t e r i o rc o n d u c t o r ( r a m ) 图2 11 常规偶极天线的增益与同轴线外导体内径的关系 图2 1 1 给出了常规偶极天线的增益与同轴线外导体内径的关系，当同轴线外 导体内径在2 6 5 9 m m 内变化时，天线的增益在3 3 d b 附近变化，变化较小，不 超过o 1 6 d b 。 2 3 4 常规偶极天线反射特性的研究 第1 3 页 禹防科学技术大学研究垒院硕士学位论文 设反射电磁波能量与馈入电磁波能量的比值为天线的反射率。 2 341 常规偶撅天线的反射率与振子臂长的关系 图2 1 2 常规偶极天线的反射率与振子臂长的关系 由黧2 1 2 可见，常规偶极天线的反射率对振予臂长较为敏感。振子臂长在 z 4 ( 约为4 2 8 c m ) 附近处，反射率达到最小，振子臂长远离天线v 4 附近时，反射率 变大，丽旦变化幅度较大。 2 3 4 2 常规偶极天线的反射率与缝隙长度的关系 。 1 i , ) t j 飞争 客8 0 、 、 弋 =6 0 墓 | | 、。么 星 2 0 u 1 02 03 04 05 0 t h el e n g t ho fs l o t ( r n m ) 图2 1 3 常规偶极天线的反射率与缝隙长度的关系 由匿2 。1 3 可冕，常觏偶极天线昀反射率对缝隙长度较为敏感。当缝隙长度在 l 4 附近时，反射率达到最小，缝隙长度远离l 4 时，反射率变大，而且变化幅度 第1 4 奚 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 较大。 2 3 4 3 常规偶极天线的反射率与缝隙宽度的关系 j o 气 1 6 一1 4 烈列9 一户 替 x1 2 。g j0 艺 8 o 26 o 篮 4 ) u 012345 t h ew i d t ho fs l o t ( m m ) 图2 1 4 常规偶极天线的反射率与缝隙宽度的关系 由图2 1 4 可见，常规偶极天线的反射率对缝隙宽度并不敏感。 2 3 4 4 常规偶极天线的反射率与同轴线外导体内径的关系 厶0 2 0 嫡 厂 h 4 。- a1 5 鬈1 0 u o g 5 u 23456 t h ei n n e rt a d i u so fe x t e r i o rc o n d u c t o r ( m t n ) 图2 1 5 常规偶极天线的反射率与同轴线外导体内径的关系 由图2 1 5 可见，当同轴线内导体半径不变，外导体内径变大时，常规偶极天 线的反射率相应变大。 2 3 5 常规偶极天线频率特性的研究 第1 5 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 我们所研究的高功率微波源虽然是窄带微波源，但仍具有一定的带宽。因此， 测量天线往往需要在一个频率范围内工作。天线的各种特性参数在偏离中心频率 时，往往要发生变化。例如，方向图形状和最大辐射方向的改变、副瓣电平的增 大、增益的降低及阻抗特性的变坏等【2 4 1 。当然，天线的各种特性参数随频率变化， 在一定程度上是允许的。通常都要根据实际情况，来选取这些特性参数的变化范 围。 在模拟的过程中，通过扫描频率，可以得到偶极天线一些增益、有效面积和 反射率与频率的关系。扫描频率的范围为1 1 5 2 2 5 g h z 。 2 3 5 1 常规偶极天线的增益与频率的关系 0 一 4 莺3 趸2 l ， t j ll 。21 41 6l ，822 22 4 f r e q u e n c y ( g t l z ) 图2 1 6 常规偶极天线的增益( d b ) 与频率f ( g h z ) 的关系 由图2 1 6 可见，在频带1 1 5 - 2 2 5 g h z 内，天线的增益与频率近似呈线性关系， 增益随频率的变大而变大。 2 3 5 2 常规偶极天线的有效面积与频率的关系 天线有效面积与增益满足关系口5 】 。 g 兄2 6 2i 结合上小节增益与频率的模拟结果，即可得到天线有效面积与频率的关系。 第1 6 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 图2 1 7 常规偶极天线的有效面积与频率的关系 图2 1 7 可见，在频带1 1 5 2 2 5 g h z 内，常规偶极天线的有效面积随频率的变 大而变小，近似呈线性关系。 2 3 5 3 常规偶极天线的反射率与频率的关系 i j 髟 j j i | j f 。 | ，j i i 。；j o i 一、j i 图2 1 8 偶极天线反射率与频率的关系 由图2 1 8 可见，偶极天线在频带1 3 5 1 9 5 g h z 内，反射率小于1 3 ，在带外 反射较大。 第1 7 页 曩vh一州净州_u一回 国妨科学技术大学研究生院硕士学侮论文 第三章短偶极天线的研究与设计 本章在上一章讨论的基础上，建立短偶极天线的模型，并对短偶极天线增益、 阻抗、功率容量秘频率特性进行了详细的研究，分别设计了一个三波段的短偶极天 线和一个s 波段的短偶极天线。 3 1 短偶极天线的提出 与普通天线技术不同的是高功率微波天线应用予高功率场合，设计时必须考 虑到天线附近强电场的影响。其天线设计中的关键问题之一是天线本身及其后续 元件的功率容量。 前面的章节辽经提到了，在高功率微波功率测鳖中，减小测量系统的接收功 率的