宽带高功率贴片天线优化设计与实验

1、第卷第期年月文章编号：强激光与粒子束，。（）宽带高功率贴片天线优化设计与实验徐刚，廖勇，谢平，张现福，孟凡宝，唐传祥（清华大学工程物理系，北京；中国工程物理研究院应用电子学研究所，四川绵阳）摘要：研制了中心频率为的宽带高功率贴片天线，并进行了高功率实验研究。采用全局优化算法对双层贴片天线的结构参数进行优化设计，使其驻波比小于的带宽达到，最大增益。为提高其功率容量对贴片、介质基底和馈电结构进行了改进和相应的绝缘设计。小信号测试结果与理论计算吻合，实测带宽达到。高功率实验中，馈入峰值和一的双极的脉冲，辐射因子达到，等效峰值辐射功率为，辐射场频谱的带宽为，实测能量方向图与模拟结果相符，半能量角宽约为

2、。关键词：宽带高功率微波；贴片天线；优化设计；带宽；文献标志码：辐射因子；能量方向图中图分类号：。宽带高功率微波是目前高功率微波研究的一个热点。引。它的时域波形为衰减的振荡脉冲，与传统窄带和超宽带高功率微波相比，兼顾了较宽频谱和较高谱功率密度的特点。目前已研制的宽带高功率辐射装置的中心频率均位于的较低频段内，且耦合进入电子系统的效率比高频微波高¨¨，所以在电磁兼容和高功率微波效应研究领域的应用具有较大研究价值。本文介绍了目前国内外宽带高功率辐射装置中天线的发展现状和特点，提出了采用底剖面、高增益的贴片天线作为辐射器，通过采用双层贴片形式增大带宽，以及对馈电结构、上下介质层之

3、间加围壁构成天线罩等方式来提高其功率容量，优化设计了适于高功率宽带电磁脉冲辐射的贴片天线，并在小信号和高功率双极脉冲馈人情况下进行了初步实验。发展现状作为核电磁脉冲模拟器以及电磁兼容、宽带高功率微波效应研究的微波源，许多国家从世纪年代开始就对宽带高功率微波做了大量研究。目前已研制出的辐射装置主要采用种技术路线：一种是由提出的采用开关激励的低阻抗波长同轴线与高输入阻抗的天线直接连接，产生振荡脉冲并辐射¨，如美国空军实验室的系统和美国与瑞士联合研制的装置；另外一种方式就是将脉冲功率源产生的快脉冲直接馈入自振荡天线，如德国系统的多匝圆环天线。而其余较多的是对单锥或锥振子充电后，位于锥顶的火

4、花隙开关导通使天线产生自振荡，如，和等装置口。这些宽带高功率脉冲辐射装置的主要参数如表所示，其中宽带脉冲辐射装置的辐射性能可用辐射因子增益来衡量，定义为户瓦式中：为辐射因子；。为驱动脉冲源的电压。裹（）裔功率宽带脉冲辐射器发展现状收稿日期：；修订日期：作者简介：徐剐（一），男，博士研究生，从事高功率微波研究；。万方数据第期徐刚等：宽带商功率贴片天线优化设计与实验由表可知，在目前已报道的宽带高功率微波辐射装置中，系统的辐射因子增益最大，达到，但天线采用直径的，尺寸较大，而其它紧凑辐射装置采用的线天线增益均较低，辐射因子增益小于。因此研究尺寸紧凑且具有较高增益的宽带高功率微波辐射天线成为了提高装置

5、辐射能力、增大作用距离的有效途径之一。天线的优化设计双层贴片天线结构文中的宽带贴片天线采用了“尼龙一气体一尼龙”复合介质基底和双层贴片的结构以增大带宽引。为了提高天线的功率容量，设计中没有采用宽带贴片天线中常用的“探针一电容”组合馈电方式“，而是采用了基于圆锥传输线的馈电结构以减小引线电感，因为下贴片直接与脉冲高压内芯相连，所以在上下介质层之间的四周增加了介质围壁。尼龙介质围成的腔体中充。气体以提高绝缘强度。改进后的双层贴片结构如图所示，天线的尺寸为××，上下贴片的边缘和个角进行了卷边和，。“。倒角处理，尼龙罩和基底用螺栓固定于地板上。天线优化设计及测试图贴片天线的维视图影

6、响贴片天线输入阻抗带宽的因素很多。本文中除了尼龙基底的介电常数固定以外，还有层介质基底的各自厚度，（，）、两层贴片的尺寸，×（一，）和馈电位置这个可变参数。优化设计的目标是寻找这些参数的最优组合，使天线输入阻抗带宽达到最大。由于参数多，即使优化精度为参数范围的，也将有多达种参数组合，这使得采用传统的参数扫描方法来寻找全局最优变得不可行。本文采用方法对天线的结构尺寸进行了优化设计，它与常用的遗传算法（）和模拟退火算法（）相比，具有实现简单、收敛快等特点，可大大减少优化所需的计算量【。图为优化进程中目标函数的收敛曲线，经过次迭代即收敛到较好的适应度值。图优化进程中的收敛曲线图优化后天线的

7、驻波比优化后的贴片天线输入阻抗带宽达到（驻波比小于）。模拟计算和实测的驻波曲线如图所示，可见实测反射系数与模拟结果基本相符。实测阻抗带宽为；模拟计算的带内增益均大于。不同频率的面方向图如图所示，最大增益达到了，天线在低于的带宽范围内具有较好的方向性，大于时主瓣将在面分裂为两瓣。从图可看到，此天线适合于辐射中心频域为、带宽的宽带脉冲。图优化后天线的面方向图万方数据强激光与粒子柬第卷功率容量和力学分析为检验贴片天线的功率容量，计算了在馈入峰值土、底宽的双极脉冲时天线近场的最大电场分布，结果如图所示，其中下层贴片表面最大电场为；上层贴片表面最大场为。上层贴片可暴露于空气中，而下层贴片所处的天线罩内至

8、少充的。气体，以获得足够的绝缘强度。在充气气压为时尼龙天线罩的应力如图所示，其中根据对称关系，只对天线罩的建模，可见最大应力为，低于增强尼龙的屈服应力。图天线内最大电场分布图尼龙天线罩的应力分布高功率实验研究实验布局按优化参数设计加工了宽带高功率贴片天线，并在平台双极脉冲源上进行了高功率验证实验。图为实验装置的布局。由源充电的双极脉冲形成线产生正负峰值相近的双极脉冲后馈入贴片天线，主辐射方向上贴片天线到对数周期天线的距离，示波器同时监测接收天线测得的辐射场和由馈线内电容分压器采集的输入脉冲波形。图高功率实验布局示意图实验结果首先输出端为匹配电阻负载时对双极脉冲产生器进行调试。图（）为电容分压器

9、测得的天线输入脉冲波形，正、负峰值分别为和，底宽，峰值功率，脉冲能量；馈入脉冲的频谱如图（）所示，其中心频率为。由于双极脉冲并非理想的宽带脉冲，高频分量比较大，相当一部分能量处于天线带宽之外。接上天线后主辐射方向的辐射因子如图（）所示，最大辐射因子为，辐射因子增益为，等效辐射能量，等效峰值功率。图（）为归一化频谱，辐射场中心频率，由于增益随频率升高而增大，中心频率比馈人脉冲的中心频率要高，带宽为。辐射场的带宽和辐射因子增益与馈入脉冲关系较大，当馈人脉冲为带宽较窄的衰减振荡时，脉冲的频谱完全位于天线的带宽范围内，辐射效率和辐射因子增益也将更高。在天线面的不同方位测量了辐射场波形以获得天线的能量方

10、向图，宽带脉冲辐射天线的能量方向图表示所测天线与全向辐射天线在某个方位上辐射脉冲能量的比值，可定义为万方数据第期徐剐等：宽带高功率贴片天线优化设计与实验：。，啦萎弋厂“，囊鹃一¨¨一。、一眈。（）：（”图馈人脉冲波形和频谱壹。、八、吒八喜一直；吾。墨一盟芎。：。舶掣蛐瓜口王（！）培衄图辐射因子和归一亿额谱十？（汐，庐）鼍（）去好脚啦式中：口和乒为方位角；为立体角；为自由空间的波阻抗。图为天线模拟计算和实测的日面归一化髓量方向图，由于天线方向图在日面有对称性，只实溯了贴片法向一侧的几个点。由图可见：实验结果与模拟计算基本吻合，其半能量角宽约为。，背向辐射很小，具有较好的方向性

11、。（，乒）癔蒸嵝骖。）：图蕊×刮面的归一让舷量方向图结论对较低频率宽带贴片天线的摸拟计算与高功率实验研究表明：通过对馈电结构的改进、结构尺寸的优化设计以及高功率馈人傍况下的绝缘设计，宽带贴片天线可用于辐射宽带高功率微波，且符合结构紧凑、较高增益的要求。高功率实验中馈入峰值的双极脉冲肘获褥了的辐射因子，且由于该天线具有的带宽，可用于辐射中心频率在一定范瘸内变动的宽带微波。此外，贴片天缝易于组成阵列，此辐射技术对发展更高增益的宽带高功率微波辐射天线阵剃具有一定参考价值。参考文献：，（）蜘哟艟蕊蛾两料嘲街僦跆锄懈翱哪爹，万方数据强激光与粒子束第卷，”：。：。：，：。，：，。，：￥，。（）：

12、一廖勇陆巍。杨周炳，等一种紧凑型高功率宽带微波源强激光与粒子柬，。（）：（，（）：）（），：孟凡宝高功率超宽带电磁脉冲产生和辐射成都：西南交通大学。：（：，】：一】）。：，：。，。（）：。，：，：，（）：。：廖勇超宽带喇叭犬线阵列辐射特性初步研究北京：中国工程物理研究院北京研究生部：（）：。：，”。，（，；，）：（），（），一，；。；：；万方数据宽带高功率贴片天线优化设计与实验作者：作者单位：徐刚， 廖勇， 谢平， 张现福， 孟凡宝， 唐传祥， Xu Gang， Liao Yong， Xie Ping， Zhang Xianfu， Meng Fanbao， Tang Chuanxiang徐刚,

13、Xu Gang(清华大学,工程物理系,北京100084;中国工程物理研究院,应用电子学研究所,四川,绵阳,621900)， 廖勇,谢平,张现福,孟凡宝,Liao Yong,Xie Ping,ZhangXianfu,Meng Fanbao(中国工程物理研究院,应用电子学研究所,四川,绵阳,621900)， 唐传祥,Tang Chuanxiang(清华大学,工程物理系,北京100084)强激光与粒子束HIGH POWER LASER AND PARTICLE BEAMS2010,22(10)刊名：英文刊名：年，卷(期)：参考文献(18条)1.Vega F;Rachidi F;Pena N A de

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