用于传感器标定的镜面单锥天线设计方法及单锥天线系统与流程

1.本发明涉及用于传感器标定的镜面单锥天线设计方法及单锥天线系统，属于镜面单锥天线技术领域。


背景技术：

2.镜面单锥tem小室常用于产生标准场，用于标定电磁场传感器。与tem小室、gtem小室相比，镜面单锥天线上限频率高，空间场精度更高。美国国家标准与技术研究院用作传感器和天线校准的标准装置；全俄光学物理计量院和韩国国家计量科学研究院也相继建立了单锥天线标定系统，用于校准电磁场传感器和建立相关的；国内西北核技术研究所、清华大学等单位开展了单锥天线标定系统方面的研究。
3.现有的镜面单锥天线上的阻抗变换器，其输入阻抗不能灵活调整，导致单锥天线锥角不能调整，进而使得镜面单锥天线占地空间大，制造成本高。
4.进一步，现有的镜面单锥天线为实现与脉冲源的阻抗匹配，输入阻抗多设计为50ω，相应的锥角较大，造成圆锥地面直径大，镜面单锥占地面积和重量较大，建造成本较高。
5.[1]蒋廷勇,燕有杰,刘小龙,等.短电磁脉冲标准场装置实验室比对[j].计量学报,2019,40(6):1107-1111.
[0006]
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[0007]
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[0008]
[4]antennas and the associated time domain range for the measurement of impulsive fields.dept.of commerce,1978.
[0009]
[5]杨超,孟萃,李鹏辉,等.镜面单锥tem小室电磁场标准装置[j].高电压技术,2016(42):1476-1482.
[0010]
[6]燕有杰,蒋廷勇,刘小龙,等.镜面单锥结构超宽谱短脉冲电场标准装置[j].强激光与粒子束,2012,24(12):2873-2876.


技术实现要素：

[0011]
针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种利用klopfenstein阻抗渐变模型设计同轴阻抗变换器，以实现输入阻抗的调整，进而可使得脉冲源与镜面单锥天线在宽频带的阻抗匹配，从而可以通过减小单锥天线锥角的方法，减小同样高度单锥天线的直径，从而缩减天线的占地面积，节约建设成本，使得镜面单锥天线结构更加紧凑；另一方面，采用klopfenstein阻抗渐变设计阻抗变换器，能够实现阻抗变换效率最大化，即相同工作带宽和反射系数下，所需阻抗变换器长度最小，方案详尽，切实可行，便于实现的用于传感器
标定的镜面单锥天线设计方法及单锥天线系统。
[0012]
为实现上述目的，本发明的第一种技术方案为：
[0013]
一种用于特高频传感器标定的镜面单锥天线设计方法，
[0014]
包括以下步骤:
[0015]
第一步，获取建设镜面单锥天线的场地信息；
[0016]
第二步，根据第一步中的场地信息，确定单锥天线的地面直径r和天线高度h；
[0017]
第三步，根据第二步中的地面直径r和天线高度h，确定单锥天线的半锥角θh；
[0018]
第四步，根据第三步中的半锥角θh，确定单锥天线的输入阻抗；
[0019]
第五步，根据第四步的输入阻抗，利用klopfenstein阻抗渐变模型设计阻抗变换器，以实现输入阻抗的调整。
[0020]
本发明经过不断探索以及试验，利用klopfenstein阻抗渐变模型设计同轴阻抗变换器，以实现输入阻抗的调整，进而可使得脉冲源与镜面单锥天线在宽频带的阻抗匹配，从而可以通过减小单锥天线锥角的方法，减小同样高度单锥天线的直径，从而缩减天线的占地面积，节约建设成本，使得镜面单锥天线结构更加紧凑；另一方面，采用klopfenstein阻抗渐变设计阻抗变换器，能够实现阻抗变换效率最大化，即相同工作带宽和反射系数下，所需阻抗变换器长度最小，方案详尽，切实可行，便于实现。
[0021]
作为优选技术措施：
[0022]
所述第三步，单锥天线的半锥角θh的计算公式如下：
[0023][0024]
作为优选技术措施：
[0025]
所述第四步，单锥天线的输入阻抗的计算公式如下：
[0026][0027]
式中，η0为真空波阻抗。
[0028]
作为优选技术措施：
[0029]
所述第五步，阻抗变换器的具体设计流程如下：
[0030]
步骤1，确定阻抗变换器工作频带以及最大允许反射系数гm；
[0031]
步骤2，根据步骤1中的工作频带以及最大允许反射系数гm，利用klopfenstein阻抗渐变模型，计算阻抗渐变器的长度l，以及沿z方向的阻抗分布函数z(z)；
[0032]
步骤3，根据步骤2的中阻抗分布函数z(z)，以及同轴线外径ro、填充介质εr，计算阻抗变换器的内径ri，完成阻抗变换器设计。
[0033]
作为优选技术措施：
[0034]
所述阻抗分布函数z(z)的计算公式如下：
[0035][0036]
其中，ro(z)为同轴线外径，
[0037]ri
(z)为阻抗变换器的内径；
[0038]
根据ro(z)和ri(z)确定阻抗变换器的结构。
[0039]
作为优选技术措施：
[0040]
阻抗分布函数z(z)沿z轴的变换公式为：
[0041][0042]
式中z0为馈源特性阻抗，即50ω，
[0043]
г0为阻抗变换器在零频率处的反射系数，
[0044]
a为辅助变量，是一个中间计算量，其满足：
[0045][0046]
作为优选技术措施：
[0047]
所述阻抗变换器在零频率处的反射系数计算公式如下：
[0048][0049]
作为优选技术措施：
[0050]
φ(2z/l-1,a)的计算公式如下：
[0051][0052]
其中，t为辅助变量，为修正贝塞尔函数。
[0053]
为实现上述目的，本发明的第二种技术方案为：
[0054]
一种用于特高频传感器标定的镜面单锥天线系统，
[0055]
应用上述的一种用于特高频传感器标定的镜面单锥天线设计方法，其包括单锥天线、镜像地、阻抗变换器、sma接头；
[0056]
通过sma接头连接馈源馈电，通过阻抗变换器将馈源50ω阻抗变换至单锥天线的输入阻抗，通过单锥天线产生标准电磁场，实现传感器的标定。
[0057]
本发明利用klopfenstein阻抗渐变模型设计同轴阻抗变换器，以实现脉冲源与镜面单锥天线在宽频带的阻抗匹配，进而可以通过减小单锥天线锥角的方法，减小同样高度单锥天线的直径，从而缩减天线的占地面积，节约建设成本，使得镜面单锥天线结构更加紧凑；另一方面，采用klopfenstein阻抗渐变设计阻抗变换器，能够实现阻抗变换效率最大化，即相同工作带宽和反射系数下，所需阻抗变换器长度最小，方案详尽，切实可行，便于实现。
[0058]
作为优选技术措施：
[0059]
所述阻抗变换器采用klopfenstein阻抗渐变模型进行设置，以实现脉冲源与单锥天线在宽频带的阻抗匹配，确保阻抗变换效率最大化，即相同工作带宽和反射系数下，所需阻抗变换器长度最小。
[0060]
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
[0061]
本发明经过不断探索以及试验，利用klopfenstein阻抗渐变模型设计同轴阻抗变换器，以实现输入阻抗的调整，进而可使得脉冲源与镜面单锥天线在宽频带的阻抗匹配，从
而可以通过减小单锥天线锥角的方法，减小同样高度单锥天线的直径，从而缩减天线的占地面积，节约建设成本，使得镜面单锥天线结构更加紧凑；另一方面，采用klopfenstein阻抗渐变设计阻抗变换器，能够实现阻抗变换效率最大化，即相同工作带宽和反射系数下，所需阻抗变换器长度最小，方案详尽，切实可行，便于实现。
附图说明
[0062]
图1为本发明紧凑型镜面单锥天线系统的一种结构示意图；
[0063]
图2为本发明紧凑型镜面单锥天线系统的一种剖面图。
[0064]
附图标记说明：
[0065]
1、单锥天线；2、镜像地；3、阻抗变换器；4、sma接头。
具体实施方式
[0066]
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0067]
相反，本发明涵盖任何由权利要求定义的在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。进一步，为了使公众对本发明有更好的了解，在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。
[0068]
如图1所示，本发明的一种紧凑型镜面单锥天线系统具体实施例：
[0069]
一种用于特高频传感器标定的镜面单锥天线系统其包括单锥天线1、镜像地2、阻抗变换器3、sma接头4。本发明通过sma接头连接馈源馈电，并利用阻抗变换器将馈源50ω阻抗变换至单锥天线的输入阻抗，通过单锥天线产生标准电磁场实现特高频电磁脉冲传感器的标定。
[0070]
如图2所示，本发明镜面单锥天线设计方法的一种具体实施例：
[0071]
一种用于特高频传感器标定的镜面单锥天线设计方法，首先根据建设场地确定单锥天线的地面直径r和天线高度h，进而确定单锥天线的半锥角θh，
[0072][0073]
进而确定单锥天线的输入阻抗，
[0074][0075]
式中η0为真空波阻抗。
[0076]
然后根据klopfenstein阻抗渐变原理设计从50ω到zc的同轴阻抗变换器。阻抗变换器具体设计流程如下：
[0077]
步骤1、确定阻抗变换器工作频带；
[0078]
步骤2、确定最大允许反射系数гm；
[0079]
步骤3、根据klopfenstein阻抗渐变原理，计算阻抗渐变器的长度l，以及沿z方向的阻抗分布；
[0080]
步骤4、根据阻抗渐变器沿长度方向的阻抗分布z(z)，以及同轴线外径ro、填充介质εr，计算其内径ri，完成阻抗变换器设计。
[0081]
设计中，阻抗变换器阻抗沿z轴的变换公式为，
[0082][0083]
式中z0为馈源特性阻抗，即50ω，
[0084][0085][0086]
φ(x,a)定义为，
[0087][0088]
其中i1(x)为修正贝塞尔函数。
[0089]
以上过程可以确定klopfenstein渐变沿z轴的阻抗分布函数z(z)。特性阻抗的计算公式为，
[0090][0091]
根据r0(z)和ri(z)即可确定阻抗变换器的结构。
[0092]
本领域内的技术人员应明白，本技术的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本技术可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本技术可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
[0093]
本技术是参照根据本技术实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
[0094]
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。