小型化强电磁脉冲辐射天线的制作方法

1.本实用新型涉及一种天线，具体地说是一种小型化强电磁脉冲辐射天线，属于天线领域。


背景技术：

2.电磁脉冲是一种瞬变的电磁现象。时域上，具有陡峭的前沿，较窄的脉宽；频域上，覆盖了较宽的频带。而核电磁脉冲，峰值场强极高，上升时间极短，其能量之大，作用范围之广，是其他任何电磁脉冲无法比拟的。为考察元器件、设备等在核电磁脉冲环境下的敏感性和生存能力，需要运用模拟试验的方法进行实验和分析。
3.核电磁脉冲模拟器充结构上大体分为有界波核电磁脉冲模拟器及辐射式核电磁脉冲模拟器。在核电磁脉冲敏感性试验中，通常还需要分析被试物的屏蔽效能，对于大型被试物，需要用到至少两倍高度的核电磁脉冲模拟器，这无疑提升了模拟器的造价。基于以上原因设计一款tem喇叭天线作为小型辐射式电磁脉冲模拟天线辐射核电磁脉冲，用于屏蔽效能分析。天线对低频部分的辐射能力取决于天线电尺寸的大小。从电尺寸上看，谐振天线的最佳天线尺寸为λ/2,要使低频分量有效辐射，对应的天线尺寸就越大。由核电磁脉冲的波形分析可知，其90%的能量分布于200mhz以下，这导致辐射式天线尺寸需要与波长可比拟，才能高效率、高保真地辐射核电磁脉冲。
4.传统tem喇叭天线存在辐射效率低，低频反射大，因此国内外学者提出了众多方法改进tem喇叭天线：在tem喇叭天线两臂间放置介质材料可以减小电磁波的反射，降低天线的反射损耗，延展天线的工作频率，提高天线的工作带宽，能够有效改善天线的辐射特性，减小副瓣电平，提高天线增益；还有学者在指数渐变tem喇叭天线基础上，采用介质填充（加载）的方法进行优化设计，对全频段的阻抗特性都有一定改善效果，天线带宽提高了1倍；在tem喇叭臂的末端附加一段向外的弧面或与喇叭口径在一个平面上的矩形金属板，改变末端电子运动轨迹，增加喇叭出口处有效面积，使天线上的功率充分想空间辐射，减小内部反射，从而达到消除脉冲拖尾的目的，使低频电流进一步产生辐射；为了提高脉冲辐射效率，提出基于tem喇叭天线两臂弯折回馈电处的一种天线结构，为了减小后向辐射，在其背面增加了一金属板，为了提高辐射效率，喇叭口的尺寸与脉冲的上升时间相当，在喇叭端口配备匹配负载电阻，其实测带宽为50~700mhz（vswr≤2）；在指数渐变tem喇叭天线的基础上，采用电偶—磁偶振子组合型也可进一步提高低频段的辐射能力。
5.通过对现有超宽带tem喇叭天线技术的分析与调研，要获得良好的低频辐射特性，及更高的效率，从而实现良好的波形保真能力，传统tem喇叭天线采用的方法概括来说就是对喇叭面采用特殊的曲面设计、在喇叭臂内填充介质材料、喇叭面或末端采用加载结构或在上下极板之间建立连接形成电流回路等，但以上方法造成天线设计难度大、结构复杂、不易加工、架设难度大等问题。
6.由于自身双导体板的结构，导致了tem喇叭天线在低频与接近直流时的辐射能力较差。根据微波理论，天线尺寸越大，对应的辐射波长也就越大，天线的工作频率也就越低。
若以传输线概念分析，在低频区呈开路状态，电流在辐射口径被突然截断为0，从而导致大量功率向源区反射，即其低频性能不好。改善天线低频辐射性能的同时兼顾脉冲辐射天线的小型化对提升天线辐射效率、提高电磁脉冲武器的隐蔽性与便携性具有重要意义，是当前tem喇叭天线的研究热点。


技术实现要素：

7.本实用新型的目的在于，设计了一种小型化强电磁脉冲辐射天线，提供了高保真的小型化tem喇叭天线，从而满足核电磁脉冲敏感度测量中屏蔽效能分析的需求，具有结构简单、频带较宽、方向性较好和效率较高等优点，是一种常用的时域脉冲天线。
8.本实用新型的技术方案为：
9.小型化强电磁脉冲辐射天线，所述天线的主体为辐射面板，所述辐射面板分为上下两个结构相同的金属极板，两个所述金属极板张开，采用平行板传输线直接馈电的方式馈电；所述金属极板一端为辐射端面；所述金属极板的另一端连接有馈电板。
10.进一步的，所述辐射端面并联两支负载电阻，起到阻抗变换作用。
11.进一步的，所述金属极板为前窄后宽，且后部边缘做曲线处理，形成开口略窄的碗状。
12.进一步的，所述天线设有非金属结构支撑。
13.12本实用新型的有益效果为：通过对tem喇叭天线极板采用碗状曲线结构，改善了电磁脉冲下降沿的抖动，对辐射电场幅值略有提升，天线设计加工简单，安装架设方便可行。
14.下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明。
附图说明
15.图1为tem喇叭天线结构示意图的结构示意图；
16.图 2 为本实用新型实施例小型化强电磁脉冲辐射天线的结构示意图；
17.图3为图2的俯视图；
18.图 4 小型化强电磁脉冲辐射天线辐射电场曲线；
19.图5 普通tem喇叭天线结构示意图；
20.图 6 普通tem喇叭天线辐射电场曲线；
21.图7为tem喇叭天线的特性阻抗计算图（式中：w为天线口径的宽度，h为天线口径的高度）。
具体实施方式
22.以下对本实用新型的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。
23.实施例1
24.如图1-7所示，传统的tem喇叭天线为由两导体构成的端射行波天线，由两个三角形金属板构成tem波传播系统。
25.对于恒阻抗的tem喇叭天线，其特性阻抗可表示为如图7所示。
26.合理设计特性阻抗值，可使其与馈线特性阻抗一致，实现馈电的良好匹配。
27.基于以上原理，并考虑到天线的实用性及加工安装难度，设计了如图1的天线形式。所述天线的口径为500mm
×
500mm，喇叭开口段纵向尺寸l为300mm。根据上面公式即可算出其特性阻抗为250ω。
28.tem喇叭天线的辐射波是tem球面波，在实际应用中，因喇叭口面开路，该喇叭天线对低频反射较大，阻抗由250ω变换到自由空间377ω，因此需要对天线做改进：1）通过加载负载电阻吸收部分低频反射能量；2）对天线上下极板采用渐变结构改善低频辐射效率。天线形式如图2所示。
29.小型化强电磁脉冲辐射天线，所述天线的主体辐射面板分为上下两个结构相同的金属极板1，两金属极板1张开（根据w、h、l确定张开角度范围），采用平行板传输线直接馈电的方式馈电。所述金属极板1一端为辐射端面2，所述辐射端面2并联两支360ω负载电阻（等效阻值为180ω）起到阻抗变换作用；所述金属极板1的另一端连接有馈电板3，其形状如图3所示为碗状。
30.仿真分析其正前方0.5m处波形，对端口馈入核电磁脉冲标准双指数波形，评估该强电磁脉冲辐射天线的辐射特性。由核电磁脉冲的波形分析可知，其90%的能量分布于200mhz以下，要使低频分量有效辐射，波长对应的天线尺寸就越大。为了提高低频辐射效率，对天线极板做改进，如图3所示，天线单极板边缘做曲线处理，形成碗状。优化后的天线正前方0.5m处波形如图4所示。
31.由上图可知最大辐射场为11.6kv/m,波形前沿为2ns，脉宽为20ns。
32.为方便说明以上方案得到的波形优势，将其与普通tem喇叭天线做对比，设置相同的口面尺寸及喇叭纵向尺寸，辐射端面同样并联两支360ω负载电阻。其结构如图5所示。
33.仿真得到其幅频特性曲线如图6所示，由图可知最大辐射场为10.4kv/m,波形前沿为2ns，脉宽为17ns。
34.对比以上两种天线得到的辐射电场曲线，可以看出所述改进碗状曲线tem喇叭天线，改善了电磁脉冲下降沿的抖动，对辐射电场幅值略有提升。
35.为方便工程应用，对该天线做非金属结构支撑。喇叭形天线主体部位采用铝板（3a21-h24）通过折弯成型，铝板厚度为2mm，上下面加工方式相同。辐射口面加载两对电阻。整体结构轻巧、稳固，便于转运。