基于IRA天线的辐射波模拟器天线辐射性能研究

将通常用于超宽带领域的IRA天线应用到辐射波电磁脉冲模拟器中,提出一种基于反射器脉冲辐射天线的核电磁脉冲辐射波模拟器,分析其天线结构,给出四种馈臂形式,通过仿真比较了四种馈臂形式天线的辐射效率、远场和近场波形以及频率增益特性。结果表明:该天线的低频辐射效率有待进一步提高;具有锥形渐缩形式馈臂的天线能产生较好的远场和近场波形。IRA天线相较笼形天线具有体积小、方向性好等优点,如果能进一步提高其低频辐射性能,IRA天线将成为理想的辐射波模拟器天线。

基于冲击脉冲辐射天线的高功率超宽带电磁脉冲辐射系统

为给超宽带电磁脉冲效应机理与防护技术的研究提供实验平台,研制了一种基于冲击脉冲辐射天线(impulse radiation antenna,IRA)的高功率超宽带电磁脉冲辐射系统,辐射系统由差分脉冲高压源、锋化开关、IRA和介质透镜等部分构成。设计中,差分脉冲高压源由基于氢闸流管的脉冲源驱动副边中心抽头的脉冲变压器实现;设计的紧凑型锋化开关高度仅为1 cm,开关间隙为1 mm,可嵌入IRA天线馈电点,开关最高工作气压可达3 MPa;基于菲涅尔定理设计了介质透镜,以校正锋化开关和绝缘变压器油对IRA天线辐射中心的影响,改善了天线的辐射特性;辐射系统可通过改变锋化开关的气压和充电电压调节系统辐射功率。测试实验表明辐射系统的主要技术参数如下:在时域,在天线主轴距离口径面5.5 m处辐射电场脉冲上升沿约为330 ps,幅值约为±8 kV/m,远场有效电势最高可达44 kV,辐射功率可调;在频域,中心频率为400 MHz,基于能量范数比定义的信号频带为80 MHz~1GHz,信号带比约为12.5,百分比带宽为170.4%。辐射系统能够为开展超宽带电磁脉冲效应阈值规律及防护技术的研究提供一个辐射功率可调的试验平台。

采用冲激脉冲辐射天线实现皮秒脉冲电场生物组织聚焦的仿真分析

为实现高强度ps脉冲电场在生物组织中的良好聚焦,仿真研究了冲激脉冲辐射天线(impulse radiatingantenna,IRA)的聚焦效果。结合前期研究成果,利用CST Microwave Studio软件建立了长椭球形IRA模型,仿真分析了其聚焦后电场在简易乳房组织模型中的传播规律。在此基础上,引入锥形天线模型,研究经锥形天线抵消主路径后IRA在生物组织中的聚焦特性。仿真结果表明:在具有低电导率的乳房组织模型中,天线在焦点处可以实现良好聚焦;当乳房组织的电导率增至0.5S/m时,其聚焦特性完全消失;引入锥形天线,当其距离生物组织边界为5cm时,可以实现IRA在较高电导率生物组织中的最优聚焦。

损耗介质透镜实现皮秒脉冲电场在乳房组织模型中的聚焦

为实现ps脉冲电场(ps PEF)经冲激脉冲辐射天线(IRA)发射后在近似实际乳房组织(电导率为0.5 S/m)模型中的有效聚焦,采用计算机仿真技术(CST)Microwave studio软件构建了天线及乳房组织模型并计算了ps PEF在其中的聚焦特性。结果表明:引入优化参数的损耗介质材料(厚度为1 cm,电导率为10 S/m)衰减小路径角电场,最终能够实现ps PEF在焦点F2处的聚焦(电场强度E=0.08 V/m);损耗材料的引入使得焦点F2处的电场强度大大减小,引入损耗介质透镜,不仅实现了ps PEF在乳房组织模型中的良好聚焦,而且焦点F2处的电场强度(E=0.45 V/m)大大增强。因此,优化设计的损耗介质透镜能够实现ps PEF在生物组织中的有效聚焦。

高功率超宽带双馈源抛物面天线设计与仿真

各种超宽带(UWB)及高功率应用中对天线辐射功率及辐射方向性需求不同。针对增大抛物面天线主轴前向辐射功率及改善方向性等问题,提出了一种双馈源半抛物面脉冲辐射天线。通过对多种馈电方式进行仿真和性能比较,得到一种辐射性能相对较优的双馈源焦距内馈电方式抛物面天线。仿真结果表明:这种由两个TEM喇叭辐射单元同时向抛物面馈电构成的反射面天线可以在抛物面口径内进行功率合成,形成峰值功率更高的电磁脉冲,以改善天线主轴方向的辐射增益及方向性。

生物医用冲激脉冲辐射聚焦天线的设计与优化

ps级电场脉冲的宽度远小于生物组织的细胞核膜与细胞膜的充电时间常数(几十纳秒和几百纳秒),且具有丰富的超宽带频谱(几乎从直流到GHz),因而具有很高的时间分辨率和空间分辨率。文章提出一种由同轴TEM馈电的圆锥结构与椭球面反射器组成的超宽带冲激脉冲辐射天线,通过冲激脉冲辐射天线将高强度皮秒电场脉冲传输至生物组织浅层靶点位置形成有效的聚焦。仿真分析了4种模型在不同条件下聚焦区域的电场分布,并对天线结构进行了优化选择。结果显示该天线在焦点区域的电场分布保持了输入脉冲的冲激特性,电压驻波比小于2,且具有稳定的增益和场方向图,x轴方向电场分布的半峰带宽小于20mm,y轴和z轴方向小于10mm。

加脊TEM喇叭初步研究

针对恒阻抗TEM喇叭的上下面板电流分布不对称,采用小反射理论和阻抗渐变思想并通过设计脊结构对恒阻抗TEM喇叭进行了改进,研制了加脊TEM喇叭。仿真及实验研究结果表明:对于脉冲宽度约为1ns的高斯脉冲,通过加脊在一定程度上改善了恒阻抗TEM喇叭上下面板电流分布的不对称性和E面辐射电场的不对称性;相对于相同口径的恒阻抗TEM喇叭,加脊TEM喇叭作为辐射天线和反射面脉冲天线馈源时系统的主轴远场辐射因子均有提高。

冲激辐射天线实现皮秒脉冲电场在人体大脑模型中聚焦的研究

采用三维电磁场仿真软件CST Microwave Studio建立长椭球型天线模型和介质透镜模型,研究皮秒脉冲经冲激脉冲辐射天线发射后在人体大脑模型中的聚焦特性。结果表明,传播至大脑组织深度6 cm处的电场能够保持输入波形的时域特性;皮秒脉冲能够进入大脑组织深度8 cm处,且此时形成的焦斑尺寸最小;不包含介质透镜和包含非损耗介质透镜时,形成的焦斑尺寸为1 cm×2 cm×1 cm,而引入损耗介质透镜后,形成的焦斑尺寸小于1 cm×1 cm×1 cm。研究结果从理论上证明了联合损耗介质透镜和单个冲激脉冲辐射天线能够实现皮秒脉冲在深部脑组织中的有效聚焦。

ps电场脉冲无创治疗肿瘤的方法及天线设计

由于细胞线粒体膜的充电时间常数远小于细胞核膜与细胞膜的充电时间常数,在ps电场脉冲作用下,线粒体膜将先于细胞核膜与细胞膜受到脉冲的影响。为此,整合无创治疗的应用需求以及电场脉冲靶向诱导肿瘤细胞凋亡的窗口效应,提出通过冲激脉冲辐射天线将ps脉冲聚焦于肿瘤组织,使肿瘤细胞线粒体跨膜电位发生变化而崩溃,启动线粒体途径的凋亡靶向诱导,实现肿瘤的无创治疗,初步实验与仿真结果表明该理论的可行性。根据超宽带天线设计理论,设计了一种用于辐射ps电场脉冲的冲激脉冲辐射聚焦天线,初步优化结果显示当金属板与x轴夹角β为90°~95°以及单圆锥辐射器的半张角α为30°~35°时,可以使天线在靶点位置得到最大的场强分布。

高功率超宽带电磁脉冲技术

高功率超宽带电磁脉冲源对许多应用 ,如冲击脉冲雷达、探测地雷、微波武器等是十分重要的。本文评述在快速高压开关和超宽带天线发展中的最新进展 。

一种高功率共面馈电脉冲辐射天线的设计实验

设计了一种高功率共面馈电脉冲辐射天线。该天线馈源采用双组电大尺寸共面极板馈臂,将馈电点置于焦点处,与直径2.1m的抛物反射面相配合,实现超宽谱短脉冲的有效定向辐射。提出了一种由同轴输入到4端输出的高功率馈电巴伦,解决了高功率情况下同轴线到4馈臂共面馈电问题。对所设计天线进行测试实验,结果表明:在馈电脉冲宽度为450ps、峰值电压为142kV时,辐射因子达到800kV。

高强度皮秒电场脉冲无创治疗肿瘤天线设计

高强度电场脉冲的脉宽从纳秒级减小到亚纳秒级甚至皮秒级宽度,将使得电场脉冲对生物体结构和功能的影响研究进入新的领域。根据椭球的几何特性,提出一种由椭球面反射器和单圆锥辐射器组成的冲激脉冲辐射聚焦天线,天线可以把高强度皮秒级电场脉冲无创伤地传输至浅层生物组织处。通过高强度电场脉冲的作用来诱导肿瘤细胞凋亡并起到杀伤作用,从而实现肿瘤的无创治疗。仿真结果表明超短时电场脉冲在靶点位置能形成有效的聚焦,并具有很高的幅值,增益和电场方向图在频带内变化稳定,同时,天线性能指标电压驻波比小于2,反射损耗小于-10dB,满足超宽带时域天线的设计要求。

超宽带脉冲辐射天线的馈源设计与优化

为获得良好的超宽带特性和高增益特性,对脉冲辐射天线的馈源进行设计与优化.以梭形馈电臂结构为基础,通过电磁仿真着重研究了馈电臂边界形状和馈电臂间夹角对天线性能的影响,获得了各参数对天线性能的影响趋势及天线结构参数的最优值.对天线的实测结果表明,此脉冲辐射天线具有非常宽的阻抗带宽,其反射损耗低于-10,dB的频率范围达到0.97～18.8 GHz,同时天线具有较高的增益,在2～14 GHz范围内增益值为15.4～30.1 dB,测量结果与仿真分析吻合良好.该天线可以广泛地应用于超宽带通信、脉冲雷达等领域,具有非常广阔的应用前景.

冲击脉冲辐射天线辐射场计算及应用

根据由张量法得到的任意线天线电场计算公式,利用镜像法推导,得到冲击脉冲辐射天线辐射电场的时域解析表达式。应用该表达式计算冲击脉冲辐射天线应用于辐射波电磁脉冲模拟器的时域辐射场,并与数值计算进行比较,结果表明:解析计算得到的辐射场波形与数值计算结果吻合较好,因此,利用解析表达式可以方便地观察天线结构参数对天线辐射场波形的影响,从而选取合适的参数以产生符合标准要求的天线场波形。

TEM喇叭馈源与共面馈源脉冲辐射天线性能比较

在反射面尺寸一定的情况下,优化设计了TEM喇叭馈源与共面馈源脉冲辐射天线,并对比了两种天线的辐射性能。分析了反射面型脉冲辐射天线的工作机理,通过准静态近似,分别得到了两种天线的远区辐射场解析解。通过理论求解,得到了两种馈源在反射面口径造成的场分布,为天线结构设计提供参考。通过分析不同脉冲宽度时两种天线的辐射情况,比较了这两种馈源性能的优劣。完成了上述两种GW级高功率高效率馈源的研制,并开展了对比实验,实验结果与理论分析相吻合。

高功率可变脉宽辐射系统

介绍了一种应用在高功率VHF频段可变脉冲产生及辐射系统的组成。在实验室条件下,通过优化设计、调节实现了数ns至数十ns脉冲宽度辐射输出。利用开路容性天线加载可调电感原理,达到辐射脉冲宽度可变的目的,同时通过并联引入耗能大电感,实现减少辐射脉冲拖尾,增加系统效率的功能;并利用高能量、快脉冲电源为种子电源,为放电回路进行储能放电,利用这一体制减小了系统辐射脉冲间的同步抖动。

卡塞格伦型脉冲辐射天线的高效设计

针对采用优化算法对卡塞格伦型脉冲辐射天线进行优化设计时效率低的问题,提出一种高效的时域设计方法。当天线的馈源已确定,且为对称结构时,利用该方法可快速确定馈源的近似辐射中心和辐照角,使卡塞格伦天线系统在轴向获得高增益,即轴向远场冲击脉冲峰值最高。该方法只需对馈源进行一次时域仿真计算,相较于采用优化算法,可大幅度减少优化设计时间,节约计算资源。以一变形TEM喇叭作为馈源的卡塞格伦型脉冲辐射天线设计为例,对比验证了文章所提方法的有效性。

冲激脉冲辐射天线在生物组织中聚焦特性的仿真分析

通过特殊设计的超宽带冲激脉冲辐射天线(IRA)将高强度ps电场脉冲靶向聚焦于肿瘤组织,可以在ps电场脉冲的作用下诱导肿瘤细胞凋亡,从而实现肿瘤的无创治疗。为此,充分考虑无创治疗的实际情况,分别通过Ansoft HFSS软件仿真和建立数学模型的手段,以生物组织内的皮下肿瘤为靶向目标,对冲激脉冲辐射天线在生物组织中聚焦特性进行了研究。研究发现:冲激脉冲辐射天线辐射ps电场脉冲在生物组织靶向焦点区域聚焦时,在空间上,ps电场脉冲分散分布在x轴远离靶向焦点的区域;在时间上,ps电场脉冲到达x轴聚焦时具有较大的时间差,从而难以在生物组织内形成有效聚焦。为了改善ps电场脉冲在生物组织中的聚焦效果,从理论分析以及公式推导发现:可在天线内填充与生物组织介电常数相近的耦合介质来解决冲激脉冲辐射天线与生物组织的匹配,以实现ps电场脉冲在生物组织内的有效聚焦。

用镜像法计算冲击脉冲辐射天线辐射电场

为方便地计算抛物面冲击脉冲辐射天线的辐射电场,根据由张量法得到的任意的线天线电场计算公式,利用镜像法推导得到了冲击脉冲辐射天线辐射电场的时域解析表达式;搭建了超宽带电磁脉冲实验系统,由横电磁波喇叭天线测试场设备测试抛物反射面超宽带辐射天线产生的辐射场;应用解析表达式计算了该实验系统的时域辐射场,并与实验测试结果进行了比较。结果表明解析计算得到的辐射场波形与测试结果能够较好地符合,峰峰值相差<1V,上升时间相差≤5ps,说明了解析计算的正确性。

皮秒电场脉冲在肿瘤无创治疗中的聚焦特性

根据光学原理,提出一种由椭球面反射器和单圆锥辐射器组成的超宽带冲激脉冲辐射天线(IRA),通过IRA将高强度皮秒电场脉冲无创伤地传输至生物组织深处靶点位置形成有效的聚焦,汇聚的皮秒电场脉冲能够诱导肿瘤细胞的细胞器(线粒体)跨膜电位发生变化而崩溃,继而杀死肿瘤细胞,并能避免对正常组织的损伤,从而实现肿瘤的无创治疗。根据时域电磁场理论,对皮秒电场脉冲分别在有和无生物组织情况下的传播特性进行了分析。皮秒电场脉冲在传播过程中都能保持输入脉冲的冲激特性,并且在靶点区域具有很高的分辨率。同时,由于媒质的色散性质,皮秒电场脉冲的幅值会发生衰减,且脉宽出现拓宽现象。