高功率微波系统中脉冲辐射天线的研究.docx

高功率微波系统中脉冲辐射天线的研究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