雙極變張角時域天線設計

1 引言
光電子技術、微波技術和激光技術的進步和相互結合，產(chǎn)生能夠工作在時域的高速、高頻電子開關器件－光導開關。該開關具有良好的電磁學響應特性。在線性工作模式下的輸出波形近似為高斯脈沖?？疾鞄追N常見的超寬帶天線可發(fā)現(xiàn)，一些傳統(tǒng)的超寬帶天線形式并不能輻射時域脈沖波形，只有領結天線、單極天線、雙錐天線和TEM喇叭天線等形式可輻射時域波形。
空間技術的發(fā)展對天線共形提出更高的要求。英國宇航公司研制高性能小尺寸的光導開關，試驗中光導天線系統(tǒng)產(chǎn)生了30 MW的高功率微波。若把該光導開關和天線鑲嵌在作戰(zhàn)飛機的保形蒙皮內，可能實現(xiàn)高功率微波(High Power　Microwave，簡稱HPM)武器的效果。
其中一項關鍵技術就是如何選擇或設計高性能的時域超寬帶天線形式，該天線具有尺寸小，能夠承受較大功率，具有定向輻射性能，剖面低易于與載體共形等特點。

2 新型時域天線分析
Vivaldi天線是由較窄的槽線過渡到較寬的槽線構成的。槽線寬度呈指數(shù)規(guī)律變化，寬度由內向外逐漸增大，形成喇叭口狀向外輻射或向內接收電磁波。一般耦合型Vivaldi寬帶天線的帶寬主要受微帶線到槽線變換的限制，而對極型Vivaldi天線由于其微帶線及其接地面都逐漸展開，因此沒有變換匹配的限制，其帶寬主要由槽線和自由空間的匹配決定，故通常可達幾十個倍頻程。根據(jù)對極型Vivaldi寬帶天線的設計理論做相應的電磁仿真(圖1a)，仿真模型尺寸為94 mmx40 mm×3．15 mm，采用高斯脈沖激勵，如圖1b所示，Vivaldi天線能夠輻射時域波形，可作為時域天線使用。不過Vivaldi天線為輻射方向為端射方向，該天線在輻射方向上剖面大，很難與平面載體表面共形，可將Vivaldi天線放在導彈前端作為導引頭使用。Vivaldi天線形式為微帶結構，功率容量小，不能作為高功率超寬帶電磁脈沖系統(tǒng)的天線單元。為方便比對，這里仿真的饋電均采用高斯脈沖激勵，為模擬光導開關的線性響應，高斯脈沖的脈沖寬度取120 ps，即研究比較成熟的GaAs光導開關線性響應的脈沖寬度。Valentine天線屬于行波天線。它由銅條帶按特殊的輪廓圖1對極型Vivaldi天線仿真時域結果彎曲而成，這種結構設計優(yōu)化高頻和低頻的輻射性能。對該天線進行近似模擬仿真(圖2a)，天線尺寸為950 mm×1 136 mm×50 mm。圖2b為仿真結果，Valentine天線能夠輻射時域波形，該天線具有增益高，方向性好，低交叉極化，保形性好，可承受高電壓脈沖等優(yōu)點，可是作為超寬帶雷達研究的一個實例，不過該天線形式尺寸和天線剖面都較大，不易與載體共形。