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本发明公开了一种平面组合脉冲辐射天线，涉及探地雷达天线的设计领域。辐射贴片部分由加载开槽的矩形贴片天线、平面TEM喇叭天线和对数周期天线三部分组成，辐射贴片部分设置在所述介质基板的上表面，馈电部分设置在所述介质基板的下表面；矩形贴片天线上加载有圆形槽线和平行槽线，通过加载开槽将背面馈电部分的能量耦合到辐射贴片上，平面TEM喇叭天线的喇叭口向起始段延伸，直到延伸至所述矩形贴片天线内部并与平行槽线相接，使能量继续耦合馈入平面TEM喇叭天线，对数周期天线的轴线与所述平面TEM喇叭天线的轴线重合，向喇叭口的张开方向延伸。平面组合脉冲辐射天线有效的拓展了低频处的辐射特性，用于探地雷达系统，提升探测深度和精度。

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本发明提供的一种组合脉冲辐射天线，包括馈电部分、TEM喇叭部分和bow‑tie天线部分，其中，馈电部分设置在TEM喇叭部分的前端，bow‑tie天线部分焊接在馈电部分上，且TEM喇叭部分的金属板延伸方向与天线轴线互相平行；bow‑tie天线部分的金属板延伸方向与天线轴线互相垂直；TEM喇叭部分的末端朝向bow‑tie天线部分的方向设置有弯折部分；bow‑tie天线部分的末端朝向TEM喇叭部分的方向设置有弯折部分；同时，TEM喇叭部分的末端弯折部分与bow‑tie天线部分的末端弯折部分之间设置有间隙；该组合天线的设计使得在TEM喇叭末端不连续处震荡的电磁能量能够有效的辐射出去，从而使脉冲辐射天线可以工作在更低的频段。

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高功率电磁脉冲一旦耦合到电子系统内部，可能引起从干扰、扰乱、降级到损伤等各种各样的效应现象。圆极化宽带电磁辐射系统对于研究宽带圆极化电磁脉冲对电子系统的效应具有重要意义。圆极化宽带电磁辐射系统由辐射圆极化电磁脉冲的螺旋天线和脉冲源激励组成，本文所用的激励为1/4波长开关振荡器。本文研究了开关振荡器的开关导通时间、火花通道电阻和电感和开关导通位置对开关振荡器输出波形的影响以及螺旋天线在不同激励、圈数及线半径对辐射场的影响程度。 论文首先建立了开关振荡器的电路模型，仿真得到了开关振荡器低阻传输线的特性阻抗为6Ω时，其输出波形幅值相对于12Ω和18Ω时最高。通过对安全系数分析表明，火花间隙开关的间隙距离越小，同轴传输线的特性阻抗越大，安全系数越高，火花间隙距离为0.5mm时安全系数最大。通过建立开关振荡器的三维电磁场模型，仿真得出开关振荡器的导通时间约为1ns时，其幅值较高，开关导通时间越长，输出波形的幅值越低，火花通道电阻会稍微减小输出波形的幅值，开关导通位置的变化会降低输出波形的频率。 其次对螺旋天线回波损耗的分析表明其在360-720MHz匹配良好，拥有宽带电磁辐射特性，螺旋天线在衰减正弦激励下拥有较高的辐射效率及辐射场峰值，辐射效率达96.7%。其辐射中心大致位于螺旋几何中心的区域。螺旋天线的有效电势增益随着圈数、螺旋线半径的增加而增大，在衰减正弦激励下的有效电势增益明显较大；螺旋天线的时域方向图的半功率波瓣宽度随着圈数的增加而减小，在衰减正弦激励下有较小的半功率波瓣宽度；螺旋天线在远场拥有更好的圆极化特性，其远场区轴比在天线轴线附近较小，拥有较好的圆极化特性。 最后，研制了基于开关振荡器和螺旋天线的电磁辐射系统及测量辐射场的TEM喇叭天线，对于开关振荡器使用氮气开关的击穿特性进行了研究，当开关振荡器充以2MPa氮气时对辐射系统的辐射场进行了实验，实验结果表明在距离天线4m处产生了幅值约3.5kV/m，中心频率约400MHz的宽带电磁脉冲。

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导通时间 开关振荡器 螺旋天线 时域方向图 有效电势增益

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随着高功率电磁环境作用于典型电子学系统的效应机理研究的不断深入，介于窄带和超宽带之间，对典型电子设备具有较高耦合效率的宽带电磁脉冲技术，引起了国内外高功率微波研究领域普遍的关注。 在比较研究百千伏量级宽带电磁脉冲产生与辐射各技术路线基础上，本文研制由基于Marx发生器紧凑型快上升沿脉冲源、平衡?不平衡转换巴伦及指数渐变TEM喇叭天线组成宽带电磁脉冲定向辐射装置，并开展产生、辐射技术实验研究。 本文分析了Marx发生器主回路、峰化截断回路各参数对输出脉冲波形的影响，并基于优化参数研制4级紧凑型Marx发生器作为初级脉冲产生装置；研制板?球?环三电极气体开关作为输出开关的峰化截断回路压缩脉冲上升沿时间、截断波形后沿。通过实验研究得到了Peaking、Chopping间隙距离与脉冲源输出波形上升沿时间、半高宽等波形参数的关系。 基于脉冲形成回路各参数及传输电缆对触发脉冲波形影响的分析，研制电容快放电型触发器，在充电30kV时，触发器可在高阻抗负载上输出上升沿时间9.4ns，幅值39.9kV触发脉冲。本文研制了一种三电极场畸变气体开关用作Marx发生器回路闭合开关，并通过静态特性实验得到了开关自击穿电压与介质气压关系，通过动态特性实验得到了触发范围、阈值与介质气压及击穿时延、抖动与触发电压关系。 构建了线性渐变TEM喇叭天线基本模型，分析各结构参数对天线方向性系数、辐射场强等特性的影响，基于各参数优化值设计了指数渐变TEM喇叭天线。经仿真比较，指数渐变结构具有较宽的有效辐射频带，且带内反射及能量损耗较小。基于变阻抗巴伦原理，设计恒阻抗巴伦，实现了同轴结构脉冲源与平行平板结构天线间的平衡馈电。 经实测，脉冲源输出电压幅值97.2kV，上升沿时间1.2ns，半高宽1.9ns，下降沿时间1ns宽带电磁脉冲，其理想辐射频谱中心频率157MHz，百分比带宽18%；TEM喇叭天线主轴最大峰值场强44.8kV/m，rE值（辐射因子）21.2kV。 通过本文工作，实现了宽带电磁脉冲的产生与辐射场测量，上述理论积累与实验准备为后续重频宽带电磁脉冲的产生其辐射效应研究奠定了必要的基础。

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Marx发生器 TEM喇叭天线 快上升沿 宽带电磁脉冲 窄脉冲

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　　为满足高速铁路无损探测需兼顾低频探测深度与高频探测精度的要求，采用理论计算与软件仿真结合的方法，设计制作了一种双频带（300 MHz/1 GHz）指数型TEM喇叭天线并对其进行了测量。所设计的指数型TEM喇叭天线采用末端加载和适当天线臂切削来实现此超宽带天线的双频带工作。仿真与实测结果表明，天线分别工作在中心为360 MHz、带宽约为110 MHz的低频带和中心为1020 MHz、带宽约为260 MHz的高频带，相对带宽均大于20％。实测天线的接收信号保真度较高，拖尾持续时间短，满足设计要求。此外，这种双频带天线系统可减少雷达系统天线和采样盒等设备的使用数量，降低雷达系统的成本，有较好工程应用前景。

Keyword ：

TEM喇叭 超宽带 路基探测 末端加载 双频带 探地雷达天线

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恒阻抗TEM喇叭天线具有沿轴线方向特性阻抗为一恒定值的特点,所以喇叭内的反射损耗非常小,常用于超宽带电磁脉冲的辐射与接收。为了提高恒阻抗TEM喇叭天线远场主射方向脉冲峰峰值,通过数值仿真和实验测试研究了天线口径以及特性阻抗值与远场主射脉冲的关系。研究发现,天线沿主轴方向长度一定时,脉冲源通过50Ω同轴线直接向天线馈电,远场主射方向脉冲峰峰值先随天线口径增大而迅速增加,当口径达到某一值时,脉冲峰峰值达到最大值,如果继续增大口径,脉冲峰峰值开始缓慢下降。对于各个特性阻抗值不同的TEM喇叭天线,当它们分别选取上述峰峰值最大对应的口径时,280Ω的恒阻抗天线远场主射方向脉冲峰峰值最大。

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TEM喇叭天线 电磁脉冲峰峰值 口径 特性阻抗

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针对需要研究的超宽带TEM喇叭天线,先应用XFDTD软件进行建模和剖分,然后使用Fortran语言读取包含网格剖分信息的文件,完成计算模型的初始化,再采用Fortran语言实现时域有限差分法算法,对天线模型在时域进行迭代运算,完成天线的仿真,并给出天线指定点的电磁场信息.与XFDTD软件相比,编写的FDTD程序具有计算时间短、占用内存小的优点.

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FDTD TEM喇叭天线 XFDTD

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将超宽带电磁脉冲天线组阵后可提高主射方向的峰值功率及增益.但由于非线性阵元因素,必须考虑阵元间互耦效应.以恒阻抗TEM喇叭天线为阵元,通过仿真和实验研究了超宽带天线阵的互耦效应,研究表明,耦合强弱与阵元间距及频段有关,互耦增强了超宽带天线阵的低频辐射能力,使远场主射方向脉冲峰峰值有所增加.上述结论对于超宽带电磁脉冲天线阵的应用具有参考价值.

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TEM喇叭 超宽带电磁脉冲 耦合 远场辐射

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超宽带电磁学、超宽带雷达等超宽带技术的研究是目前国内外研究的前沿课题。超宽带电磁脉冲纳秒量级或亚纳秒量级的脉冲宽度，使得其具有优良的超宽带特性。为了更好的利用超宽带脉冲的优良特性，很多相关课题有待开展。本文首先对超宽带短脉冲在恒阻抗TEM喇叭天线中的时域传播特性进行了研究，仿真发现恒阻抗TEM喇叭天线的开放式结构导致天线产生侧向辐射，侧向辐射的存在使得天线在辐射单极性脉冲时形成反冲，天线馈电端口处存在较大能量反射的重要原因之一，进而导致天线辐射效率偏低；本文创新性地提出了脉冲辐射天线的时域叠加性这一概念，并结合恒阻抗TEM喇叭天线对这一概念进行了阐明，仿真结果表明可以利用天线的时域叠加特性对天线进行分析和设计；最后对合作课题中的天线进行了部分仿真优化工作，仿真结果表明天线馈电口处不同介质形态及延长天线上平板均会对天线脉冲峰峰值（EPP）产生较大的影响。其次从一般脉冲体制探地雷达系统（GPR Ground Penetrating Radar）存在分辨率和探测深度不能兼优这一现实问题出发，对伪随机编码脉冲体制探地雷达系统性能进行了理论分析，并借助Matlab对编码探地雷达系统的性能进行了仿真验证，结果表明伪随机编码体制探地雷达可以在保持探地雷达分辨率不变的情况下实现对更深层目标的探测。

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TEM喇叭天线时域叠加性侧向辐射探地雷达伪随机编码

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超宽带技术以其高数据速率、低功耗、低成本等优点被广泛应用于通信、雷达等领域。作为超宽带系统关键部件之一的天线，其性能的好坏对系统的整体性能有着重要的影响，因此设计研制出能满足超宽带系统要求的各种超宽带天线，具有非常重要的意义。本文主要围绕具有平面结构的超宽带脉冲辐射天线展开研究。首先设计了一种具有二维结构的超宽带平面TEM喇叭天线，重点研究了天线开口处的阻抗渐变和天线的平衡馈电装置，并根据天线表面电流分布情况，对天线的形状作出调整和优化。这种喇叭天线简化了结构，并实现了天线在总长度受限的情况下拥有较好的低频特性。实验结果表明该天线工作在0.1~1.2GHz的频段范围内，具有较强的方向性和较高的效率，且其时域辐射波形有较高的信号保真度。为减小天线的纵向尺寸，将这种平面喇叭天线做到介质板上形成纵向尺寸仅几个毫米的渐变开槽天线。首先设计了从不平衡共面波导到平衡共面带线过渡的平面超宽带平面巴仑，该巴仑工作在DC~2.1GHz的频带范围，其归一化能量损耗显示两个巴仑对接的过渡装置可以集中90%以上的能量。这种巴仑装置可作为蝶形天线、槽线天线等平面天线的馈电系统。接下来，分析设计了工作在0.1~1.2GHz的渐变开槽天线，天线分别采用共面波导馈电和微带馈电，重点分析了不同的馈电结构对渐变开槽天线辐射特性的影响。最后，设计并制作了用于辐射短脉冲的微带馈电的渐变开槽天线，该天线工作在1.25GHz~9.5GHz，仿真和实物测试结果表明，该天线在工作频带内具有较好的方向性和增益，符合宽频带工作特性。最后，按照探地雷达系统的要求，设计制作了低频蝶形天线，并根据实测结果对天线作出相关改进。最终结果表明，该天线工作的中心频率 ，相对带宽BW=25.8%，具有较好的时域辐射特性，满足天线设计指标。

Keyword ：

巴仑 超宽带 蝶形天线 渐变开槽天线 天线

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