脉冲宽度对高功率微波阵列天线辐射特性的影响

为了研究馈入脉冲波形的脉冲宽度(脉冲半高宽)对高功率微波阵列天线辐射特性的影响,以L波段(1.575 GHz)高功率微波波导缝隙阵列天线为例,首先从理论分析、数值仿真方面研究不同馈入脉冲波形脉宽对阵列天线辐射增益和辐射脉冲脉宽的影响,然后根据仿真模型加工制作了一款由4根波导组成的宽边纵缝阵列天线,并将波导缝隙阵列天线结合功分网络与吉瓦级微波源(高功率微波磁控管)连试,开展了高功率微波辐射实验。数值仿真结果表明,当馈入的L波段微波脉冲脉宽约为10 ns时,阵列天线辐射增益比连续波馈入时的增益减小2.2 dB,脉宽展宽2.6 ns;当馈入脉冲波形脉宽约为15 ns时,阵列天线时域增益比连续波馈入时的时域增益减小1.5 dB,脉宽展宽1.9 ns。高功率微波实验结果表明,与辐射场脉宽为9.6 ns的高功率微波相比,辐射场脉冲脉宽为15.65 ns的高功率微波功率密度提升了3.1 dB。

一种高功率微波发射阵列天线设计和试验

设计了一种用于高功率微波发射的S波段波导缝隙阵列天线。采用耦合波导和馈电波导同层排布的方式减小了天线的剖面高度,通过耦合缝隙同向偏置,辐射缝隙按照一定规律排布补偿相位,实现了缝隙单元方向图同相叠加,对缝隙参数、功分器形式与功率容量的关系进行了仿真分析,并在天线内部充入0.1 MPa SF6气体,提高了天线的功率容量。仿真和试验结果表明,在6.7%带宽内,天线电压驻波比小于1.5,增益达到27 dBi,采用窄谱高功率微波源激励天线并进行了高功率微波发射试验,天线的发射波形与微波源的输出波形具有良好一致性,测试的微波源输出功率为2.67 MW。

一种旋转移相式高功率微波反射阵列天线

利用旋转移相技术的几何相位调控方法,提出一种基于传输相位差概念的波束扫描高功率微波反射阵列天线。电磁仿真结果表明,所设计的三叉戟形反射阵列天线单元工作于9.5~10.5 GHz,在0~40°入射角度下具有360°范围内的线性相位调控能力,真空条件下的功率容量达到1.11 GW。采用该单元设计了半径为200 mm的圆形口径反射阵列天线,并使用全波仿真软件进行验证,利用口径相位分布的可重构特性,所设计的反射阵列天线可以实现±40°范围内的波束扫描。在10 GHz时,波束扫描过程中的增益下降小于1.7 dB,最大增益达到31.1 dBi,对应口径效率为73.42%,最低口径效率超过50%,副瓣电平和轴比始终低于-18.7 dB和1.6 dB。

高功率微波天线电磁仿真方法研究进展

高功率微波(high-power microwave,HPM)天线作为HPM系统与外界交互能量的通道,其对HPM系统的性能具有重要的影响。设计HPM天线时,受制于有限的测量手段和高昂的实验成本,难以通过实验方法对HPM天线性能进行分析。相较于实验方法,高效精确的电磁仿真方法是分析HPM天线性能最有效、最经济的研究手段。目前,HPM天线主流电磁仿真方法包括:全波仿真方法、高频渐近方法以及混合方法。本文对近年来HPM天线电磁仿真方法的新进展进行了介绍,总结了各种电磁仿真方法的优缺点,可为HPM天线性能仿真方法的选取提供思路。

无人机机载天线高功率微波耦合响应研究

无人机易于受到高功率微波干扰和损伤,无人机机载天线是高功率微波干扰的重要耦合途径。为了研究无人机机载天线高功率微波耦合响应,以数据链天线和导航接收机天线为研究对象,根据无人机实际布局,建立高功率微波辐照下无人机机载天线的耦合模型,通过仿真天线辐射模型远场辐射方向图及S11参数验证天线模型的准确性,得到不同辐照场景和高功率微波辐射场参数下数据链天线和导航接收机天线端口的耦合电压,并进行了典型场景试验验证,结果表明:L波段高功率微波辐照下数据链天线的耦合电压较S、C和X波段更高,相较于水平极化,垂直极化辐射场对无人机数据链的干扰效果更佳,耦合电压与辐射场强成线性关系,受脉宽和前沿的影响较小;空中高功率微波辐照场景下导航接收机天线的耦合电压较地面高功率微波辐照场景更高,该研究将在高功率微波武器打击无人机方面提供理论参考依据。

高功率微波作用下三维结构中多物理场耦合过程仿真方法研究综述

电子系统暴露在高功率微波中,产生的多物理耦合效应会引发其性能降低甚至损毁。为指导其电磁防护设计,需要研究大规模电(磁)-热-应力耦合并行仿真方法。通过集成高性能并行计算框架和区域分解方法(domain decomposition method,DDM),可以实现超大规模复杂结构的高效数值模拟。在无源结构的电-热-应力耦合数值模拟中,每个时间步都需要反复求解电流连续性方程、热传导方程和热应力方程,场间通过焦耳热和温变材料参数实现耦合,当达到稳态后,进入下一个时间步;在射频无源结构的电磁-热-应力耦合过程数值模拟中,每个时间步内分别求解电磁场和热场,并通过耗散功率和温变材料参数实现场间耦合,当达到稳态后,根据温升计算热应力,然后进入下一个时间步。本文回顾了电(磁)-热-应力大规模并行仿真的实现方法,并列举了国内外科研团队在键合线阵列、系统级封装、微波滤波器等多种复杂结构的多物理场模拟方面的标志性成果。

北斗/GPS导航系统抗高功率微波防护设计

为提升北斗/GPS导航接收系统抗高功率微波的防护效能,采用场路协同仿真设计的方法,分析了北斗/GPS天线在高功率微波辐照下的响应特性,仿真得到天线端口的耦合电压量值。为实现对高功率微波的防护,设计两级防护电路,通过构建稳态电路和瞬态电路模型,对插入损耗和泄漏电压进行仿真分析,并对防护电路进行了加工。测试结果表明:防护电路在2 kW的窄带高功率微波注入下,泄漏功率小于0.5 W;在1411 V的超宽谱高功率微波注入下,泄漏电压小于12 V,可实现对高功率微波的有效抑制。同时将防护电路装配到北斗/GPS导航天线内,导航系统可正常工作。

一种抑制高功率微波击穿的副反射面天线罩设计

针对应用于辐射高功率微波的双反射面天线系统设计了一种新型抑制高功率微波击穿的副反射面天线罩.该副反射面天线罩为基于复合材料的曲面球壳体结构,通过在罩内填充SF6气体,能够有效抑制副反射面附近高功率微波击穿.首先仿真分析了高功率脉冲照射下的天线副反射面附近区域空气击穿空间分布,确定天线罩的最小外廓尺寸.然后开展天线罩低损耗设计方法研究,通过采用优化算法对罩体外形曲线进行优化设计,使得电磁波与天线罩体的夹角控制在44°以内,并以此作为输入优化得到使透波系数最优的蒙皮和芯层厚度参数.此外,为避免复杂的成型工艺,将副面罩简化为泡沫环筋结构,其既有低损耗特性又兼顾了一定结构强度.最后对天线罩的电气性能进行仿真与测试验证,实测结果表明这种副面罩引入的插入损耗在0.3dB以内,透波率达93.4%以上,对反射面天线系统的辐射性能影响很小.

一种紧凑型宽带高功率微波源设计与测试研究

设计了一款体积紧凑、工作在特高频波段的宽带高功率微波源,系统利用24 V蓄电池供电,Marx发生器作为驱动源,采用四分之一波长开关振荡器调制产生宽带电磁脉冲,激励高功率微带平板天线辐射,测试结果显示系统工作中心频率为425 MHz,远场辐射场强-距离积峰峰值为91.5 kV@1 m,该微波源体积尺寸为871 mm×370 mm×330 mm,含电池质量小于43 kg,拓展了宽带高功率微波技术在无人机、机器人等平台的应用前景。

大气击穿对高功率微波天线的影响

高功率微波大气传播过程中,天线附近的功率密度最大,容易发生强电离或大气击穿,由此产生“尾蚀效应”等非线性衰减,因此,传输过程中产生的大气击穿限制了高功率微波天线的最大发射功率。通过分析天线近场模型,研究了矩形口径天线和圆口径天线的近场轴向功率密度分布,得到了不同口面场分布下天线的最大归一化功率密度及其最大值所处的位置,并结合大气击穿功率密度阈值计算出锥照圆口径天线的最大发射功率约为148.47 GW。

波导缝隙阵列天线高功率微波应用探索

设计了一种波导窄边缝隙天线阵,其微波传输工作于行波状态,绝大部分能量被缝隙耦合辐射,其余能量被匹配负载吸收。通过等效电路的方法,使得各个缝隙达到均匀辐射,从而具备可拓展组阵能力,此外通过设计移相结构改变相位差,实现方位角方向的波束扫描。该缝隙天线工作在行波状态,避免了电场集中现象的出现,且工作于真空环境,具有较高的功率容量。

用于宽带高功率微波辐射的双层贴片天线特性

研究了用于宽带高功率微波辐射的双层贴片微带天线输入阻抗带宽和辐射特性,提出一种适合于高功率微波辐射的圆锥传输线馈电结构以减小传统馈电探针的引线感抗,使天线的功率容量提高到百MW级,同时作为同轴线到径向传输线的过渡变换,使反射系数降低近50%。通过数值计算分析了不同的介质基底厚度组合和贴片尺寸对天线带宽的影响,优化参数后的天线带宽达到了34.9%(电压驻波比小于3),带内平均增益高于6.5 dB,最大增益8.3 dB,主辐射方向上的远场辐射因子与馈入宽带脉冲幅度比值大于1.3。分析了天线的功率容量,模拟计算表明该天线可用于辐射幅值300 kV的宽带高功率微波。

用天线阵测量圆柱过模波导中虚阴极振荡器产生的高功率微波模式和功率

介绍在圆柱过模波导中虚阴极振荡器产生高功率微波实验中用天线阵测量微波模式的原理和方法。测量微波模式对研究高功率微波产生的机理具有重要意义。结合在圆柱过模波导壁上安装小电探针天线和小磁环天线测量微波模式的方法,用天线阵测量圆柱过模波导中开口辐射的电磁场空间分布。应用最小二乘法优化原理拟合高功率微波模式功率分布。用天线阵测量了圆柱过模波导中虚阴极振荡器产生高功率微波混合模式功率分布。

高功率微波天线增益测试方法研究

介绍了几种天线增益的测试方法,并根据高功率微波(HPM)天线的特殊性,提出了一种窄脉冲激励下HPM天线增益测试方法。利用直接功率测量方法,将窄脉冲信号源作为发射信号源,通过标定不同脉冲宽度下接收天线的最大接收功率,开展实验研究,测得窄脉冲条件下天线的增益值。测试结果表明:在脉冲宽度大于25 ns的微波脉冲激励HPM天线时,天线增益测试结果与连续波条件下天线增益测试结果相同。

三镜波束波导在高功率微波天线中的应用

通过对波束波导馈电卡塞格仑天线工作原理的分析,论述了波束波导在高功率微波辐射天线中的应用及设计方法,重点介绍了一套利用波束波导馈电高功率微波辐射天线。该天线利用由三面反射镜组成的波束波导对一个由两个抛物面镜组成的双反射面天线进行馈电,实现了波束的快速扫描。该天线工作在X波段时,功率容量大于1GW,天线增益大于50dB。

阵馈抛物柱面天线合成超宽带高功率微波

在时域推导了超宽带脉冲空间功率合成的条件,得到了多路脉冲信号在极化方向相同,幅度、波形一致的条件下,可实现最大化功率输出的结论。基于此提出了一种阵馈的抛物柱反射面天线。采用10喇叭单元叠状排列形成一维馈源阵列放置于焦线上,照射抛物柱反射面后形成相干脉冲,在主轴方向合成超宽带高功率微波波束。仿真结果表明,该阵馈天线较最优口径的单馈源天线,远场辐射功率密度提高了87倍以上,且波束宽度由66°减为8°,实现了超宽带高功率微波的高效空间功率合成。

X波段高功率微波辐射场测量角锥天线特性

利用电磁仿真软件模拟了不同结构角锥喇叭天线的增益特性,选择了增益较低的角锥喇叭天线作为X波段高功率微波测量天线。同时,对角锥喇叭天线电磁脉冲响应、有无法兰和有无直波导进行了数值计算和实验研究。数值计算结果表明:角锥喇叭天线不会对20ns短脉冲波形产生大的影响,能够用于短脉冲测量;法兰和300mm直波导对角锥喇叭天线增益的影响小于0.2dB。实验结果表明:角锥天线增益随频率变化无振荡现象,300mm直波导对角锥喇叭天线增益的影响小于0.2dB,方向图主瓣宽度约为50°,适用于测试环境较复杂的高功率微波辐射场测量。

喇叭有效口径渐变法测量高功率微波天线近场气体击穿

设计了喇叭有效口径渐变法测量高功率微波气体击穿的实验方案,通过连续改变喇叭的有效口径改变天线近场的电场强度,使微波传输达到气体击穿的条件。介绍了实验原理及诊断方法,进行了L波段的高功率微波天线近场空气击穿实验,分析了实验中得到的典型波形。结果显示:脉宽30ns、L波段的微波在0.4×105 Pa空气中击穿阈值为33.9kV/cm。实验现象与设计吻合,验证了该方案研究微波气体击穿的可行性。

新型高功率微波模式转换天线研究

给出了一种新型高功率微波模式转换天线,该天线将同轴插板式模式转换器和一种新型喇叭有机结合,可直接辐射高功率微波源输出的同轴TEM模或TM01模,具有结构尺寸小、口径效率高、轴向辐射、容易实现等优点.优化设计了一个中心频率为3.8GHz的天线,长度约300mm、口径为280mm,在中心频率上增益为19dBi、反射损耗为-20dB,在3.7～ 4.1GHz的频率范围内增益大于18.7dBi、反射损耗小于-15dB.

高功率微波武器与天线(一)

自1973年前苏联用相对论返波管产生10 ns 400 MW的脉冲输出到2003年美国高功率电磁脉冲炸弹首次用于伊拉克战争,高功率微波武器的发展已近半个世纪,微波武器的概念目前尚未被大众所知。首先简要综述了高功率微波系统的组成、基本概念,以及高功率微波的发展历史、世界各国研究现状和高功率微波的基本效应、威力、对抗高功率微波的措施、研究中的安全防护、研究高功率微波的仪器、仪表、设备、方法及手段;最后分析了目前的水平和困难、高功率微波能量传输的极限及高功率微波武器的安全问题。