高功率超宽带馈源设计与实验

第28卷第3期强激光与粒子束V o l .28,N o .3 2016年3月H I G H P OW E R L A S E R A N D P A R T I C L E B E AM S M a r .,2016高功率超宽带馈源设计与实验*易超龙, 樊亚军, 石 磊, 朱郁丰, 夏文锋, 石一平, 卢彦雷, 乔汉青, 张兴家(西北核技术研究所,高功率微波技术重点实验室,西安710024) 摘 要: 针对大型抛物反射面天线中的高功率超宽带馈源,提出一种恒阻抗不平衡-平衡转换结构(巴伦)加切比雪夫渐变线T E M 喇叭的馈源设计方法,采用数值模拟研究了其阻抗特性㊁传输特性与辐射特性,并进行了测试实验㊂结果表明:该种馈源结构在较小的体积下具有低反射㊁高带宽和高馈电效率的优点㊂该馈源已成功应用于大型高功率抛物反射面天线㊂关键词: 高功率微波; 超宽带; 巴伦; 切比雪夫渐变线; 馈源; 天线; T E M 喇叭 中图分类号: T B 822.8 文献标志码: A d o i :10.11884/H P L P B 201628.033001 采用T E M 喇叭馈电的抛物反射面天线是一种常用的高功率超宽谱脉冲辐射天线[1-3],具有结构简单㊁馈电方便的优点㊂T E M 喇叭作为常见的高功率超宽带天线,属于平衡型天线,其通常通过同轴传输线与高功率超宽谱脉冲源连接,而同轴传输线属于非平衡传输结构,如果将其直接与T E M 喇叭天线相连,会造成天线上下极板间电流的不平衡,影响天线的辐射性能,因此,馈源结构中不平衡-平衡转换结构(巴伦)的设计至关重要[4]㊂同时为了减小馈源的遮挡,减轻馈源的重量,馈源的体积与口径尺寸不能太大㊂常用的三角板型T E M喇叭在灌入变压器油的情况下通常具有较大的体积与重量,不能满足实际需求㊂本文研究了电性能优越的切比雪夫阻抗渐变线[5-8]T E M 喇叭结构,并将其与恒阻抗巴伦结构进行了一体化综合设计,在体积较小,功率容量满足要求的情况下实现了高带宽㊁低反射㊁高效率馈电㊂1 巴伦设计1.1 基本理论与馈源连接的同轴线为单端结构,内部电场为轴对称分布㊂用作辐射天线时,根据口径的瞬态辐射理论,在主轴上无法形成辐射场,因此必须经过巴伦将其变为双端结构进行辐射㊂F i g .1 D i f f e r e n t i a lm o d e a n d c o mm o nm o d e 图1 差模与共模同轴线连接T E M 喇叭馈源时,同轴线外导体与喇叭上下极板间可形成两种截然不同的模式:差模和共模[9]㊂如图1所示,差模模式为上下极板间电流大小相等,方向相反㊂该模式有利于辐射,是我们希望增强的㊂共模模式为上下极板间电流大小相等,但方向相同㊂共模模式的形成为同轴线外导体内侧电流在与T E M 喇叭连接处一部分经外导体外侧回流,从而与T E M 喇叭上极板间形成电场所致㊂显然共模模式损耗能量,不利于辐射,我们希望尽量减少㊂巴伦的作用就是尽量增大差模,减少共模,即增大T E M 喇叭上下极板间电流的平衡度㊂减少巴伦的半径以减少辐射效应以及适当增加巴伦长度㊁减缓巴伦结构的突变以消除巴伦内部可能激发的高次模都可以减少共模㊂降低巴伦的阻抗以减少与同轴线连接时的反射则可以增大差模,因此将巴伦设计为恒阻抗结构并与同轴线的阻抗一致时将最大化巴伦的传输效率,并减少波形的畸变㊂1.2 恒阻抗巴伦设计本文设计的巴伦结构用于传输纳秒级超宽谱脉冲信号㊂巴伦和T E M 喇叭浸于相对介电常数为2.25的变压器油密封容器中,同轴线外径为12c m ,特性阻抗为50Ω㊂为保证波形从同轴端变换为平板端时不畸变,巴伦的长度不能低于[9]l =εr π2b 22c t r (1)式中:εr 为介质相对介电常数;b 为同轴线外导体半径;c 为真空中光速;t r 为脉冲上升沿㊂若传输上升沿*收稿日期:2015-09-09; 修订日期:2015-11-09基金项目:国家高技术发展研究计划项目为0.3n s 的脉冲,则保证波形不畸变所需的巴伦最短长度约为30c m ㊂巴伦越长时,结构变化越平缓,平衡型越好,本文设计的巴伦长度选择为40c m ㊂图2为恒阻抗50Ω巴伦各截面图㊂设计时保持内导体中心位置距离下极板上边缘中心位置的距离不变,内导体逐渐展宽变细㊂至平行平板端时高度为60mm ,宽度为20.8mm ㊂外导体随位置线性张开㊂巴伦外观上表现为夹角缓慢张开的两导体板㊂为了增大功率容量,导体边缘全部倒角光滑处理㊂F i g.2 C o r s s s e c t i o no f b a l u n 图2 巴伦截面图其中起始同轴端(0ʎ)与末端平板线(360ʎ)的特性阻抗有现成的数学表达式可以计算,其他截面的阻抗由于无成熟的数学公式计算,故各截面的尺寸及阻抗计算全部由数值模拟得到㊂图3为设计后的巴伦侧视图与俯视图㊂F i g.3 S t r u c t u r e o f b a l u n 图3 巴伦结构图 巴伦的性能测试由专业的数值模拟软件C S T 完成㊂计算方法为时域有限积分方法(F I T )㊂1.3 巴伦传输特性将完全相同的两个巴伦在平板端进行对接,如图4所示,在一巴伦的同轴端馈入超宽谱脉冲信号,观测反射信号,在另一巴伦的同轴端观测传输信号㊂F i g .4 E x pe r i m e n t of b a l u n 图4 巴伦性能测试实验结构图5为模拟所得电压驻波比(V S WR )曲线,可以看出,在0~3G H z 频带内,V S WR 小于1.2,显示该巴伦结构具有很高的带宽㊂当馈入峰峰值脉宽为1.5n s 的双极型超宽谱脉冲时,测得巴伦输出波形与反射波形如图6所示㊂可以看出,输出波形与输入波形形状一致,无畸变,反射很小,经计算该巴伦峰值功率传输效率为92%㊂1.4 巴伦功率容量分析当馈入归一化功率1W ㊁峰峰值脉宽为1.5n s 的双极型超宽谱脉冲时,模拟所得巴伦纵截面的最大场强分布和表面的最大场强分布分别如图7和图8所示㊂可以看出,巴伦最大场强位于同轴线内部,越往平板端,随着芯线与外导体的展宽,电荷密度逐渐变小,场强也随之减小,所以只要同轴线的功率容量满足要求,整个巴强激光与粒子束伦的功率容量即可满足要求㊂F i g .5 V S WRo f b a l u n 图5巴伦电压驻波比F i g .6 I n p u t a n do u t p u tw a v e f o r m s 图6巴伦输入输出与反射波形F i g .7 M a xe l e c t r i c f i e l do f s i d e v i e w 图7巴伦截面最大场强分布F i g .8 M a xe l e c t r i c f i e l do f s u r f a c e 图8 巴伦表面最大场强分布2 切比雪夫渐变线T E M 喇叭馈源设计2.1 基本理论切比雪夫渐变线的频率特征如图9所示[10]㊂图中纵坐标为输入端反射系数,工作频带内的最大反射系数为Γm =l n (Z 2/Z 1)2c o s h β1L (2)β1=2π/λ1是下限频率f 1的相位常数,Z 1,Z 2分别是渐变线输入端和输出端的特征阻抗,L 是渐变线总长度㊂当β由0增加到β1时,曲线单调下降,当β>β1后,Γi 呈等幅波纹状摆动㊂由式(2)可以看出切比雪夫阻抗渐变线有如下特点:由渐变线长度L 及所关心的带宽内的最大反射系数可以求出下限工作频率㊂这最大的好处就是可以根据馈入脉冲的频谱范围对渐变线进行赋形设计,以尽可能的提高传输与辐射效率㊂若馈入的脉冲频谱下限很高,则切比雪夫渐变线可以做到很低的反射系数,这对低频谱分量相对较少的双极性超宽谱脉冲来说具有非常好的效果㊂2.2 切比雪夫渐变线T E M 喇叭天线设计根据实际需求,本文设计的馈源口径直径为70c m ,馈源长度为75c m ㊂口径处特征阻抗为160Ω㊂由于巴伦特征阻抗为恒阻抗50Ω,从50Ω到口径处160Ω采用切比雪夫渐变线阻抗变换设计㊂图10为采用切比雪夫渐变线设计的馈源模型㊂相比常用的线性渐变T E M 喇叭结构,体积更小,重量更轻㊂F i g .9 F r e q u e n c y c h a r a c t e r i s t i c o fC h e b y s h e v t a pe r e d t r a n s m i s s i o n l i n e 图切比雪夫渐变线的频率特性F i g .10 M o d e l o fC h e b y s h e v t a p e r e dT E M h o r n 图10 切比雪夫渐变线T E M 喇叭馈源模型易超龙等:高功率超宽带馈源设计与实验采用切比雪夫渐变线阻抗变换后,由式(2)可得馈源截止波长为λ=a r c c o s h l n (Z 2/Z 1)2Γéëêêùûúúm 2πL (3) 将Z 1=50Ω,Z 2=135Ω,L =75c m ,Γ=2.5%代入后计算得截止频率为234MH z ㊂图11为模拟所得T E M 喇叭的电压驻波比曲线,与式(3)计算结果基本相符,在响应频带内V S WR 小于1.5㊂图12为馈源特性阻抗曲线㊂可以看出,巴伦特征阻抗基本维持50Ω恒阻抗不变㊂T E M 喇叭阻抗采用切比雪夫阻抗渐变线形式从巴伦平板端的50Ω渐变至口径处的160Ω㊂F i g.11 V S WRo fT E M h o r n 图11 T E M喇叭电压驻波比F i g .12 I m p e d e n c e c u r v e o f f e e d 图12 馈源特性阻抗曲线3 实 验利用所设计馈源结合抛物反射面天线进行性能测试㊂馈入脉冲如图13所示,峰峰值脉冲宽度为1.5n s双极形超宽谱脉冲,距离天线150m 测得辐射场主轴波形如图14所示,经过馈源与反射面的两次辐射后,辐射波形为四极形脉冲㊂图15为辐射场主轴波形频谱图,中心频率约390MH z ,频谱范围约120~800MH z ㊂F i g .13 I n pu tw a v e f o r m 图13 实验馈入脉冲F i g .14 R a d i a t i o nw a v e f o r m 图14 辐射场主轴波形F i g .15 S p e c t r u mo f r a d i a t i n gp u l s e 图15 辐射波形频谱4 结 论本文提出了一种高功率超宽带馈源的设计方法,同轴转平板部分采用恒阻抗设计,其阻抗与连接的同轴传输线阻抗一致,减小了波形畸变与波形反射,提高了传输效率㊂馈电T E M 喇叭采用切比雪夫渐变线设计,阻抗由平板起始端阻抗渐变至口径设计阻抗,保证了最大馈电效率㊂采用数值模拟方法分析了该馈源的阻抗特性㊁传输特性和辐射特性,并进行了实验研究㊂结果表明:该馈源在较小的体积下实现了低反射㊁高带宽和高效率馈电㊂该馈源已成功应用于大型高功率抛物反射面天线㊂参考文献:[1] 孟凡宝,杨周炳,马弘舸,等.高功率半抛物面冲击脉冲辐射天线系统实验研究[J ].强激光与粒子束,1999,11(6):725-728.(M e n g F a n -b a o ,Y a n g Z h o u b i n g ,M aH o n g g e ,e t a l .E x p e r i m e n t a l i n v e s t i g a t i o no f h a l f p a r a b o l o i d i m p u l s e r a d i a t i n g a n t e n n a .H i ghP o w e rL a s e ra 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i n eT E Mh o r n,a n d t h e i m p e d a n c e c h a r a c t e r i s t i c s,t r a n s m i s s i o n c h a r a c t e r i s-t i c s a n d r a d i a t i o n c h a r a c t e r i s t i c s a r e s t u d i e db a s e do nn u m e r i c a l s i m u l a t i o n.T h e nw em a k e s o m e e x p e r i m e n t a l s t u d y.T h e r e s u l t s s h o wt h a t t h e f e e dh a s l o wr e f l e c t i o n,w i d eb a n da n dh i g hr a d i a t i o ne f f i c i e n c y.T h i s f e e dh a sb e e ns u c c e s s f u l l y a p p l i e dt o l a r g e h i g h-p o w e r p a r a b o l i c a n t e n n a.K e y w o r d s:h i g h p o w e rm i c r o w a v e;u l t r a-w i d e b a n d;b a l u n; C h e b y s h e v;f e e d;a n t e n n a; T E M h o r nP A C S:41.60.D k;42.25.B s。