一种超宽带时域脉冲辐射Vivaldi天线设计方法技术

本发明专利技术公开一种超宽带时域脉冲辐射Vivaldi天线设计方法，属于天线技术领域。本发明专利技术将Vivaldi天线等效为由对应渐变曲线构成的曲线辐射器；通过曲线电流分布获得天线任意场点位置处的电场时域波形，据此可得天线主轴远区上电场主极化方向分量波形至天线激励电压波形的等效传递函数，基于该函数以及满足超宽带无线电系统关于所辐射超宽带信号技术指标的参考波形，可反演得到对应结构尺寸天线的等效激励波形，并由该等效激励波形的时间参数构造出贴近实际的激励波形，进而以此激励波形为基准，完成天线的设计与优化。本发明专利技术可有效避免用于超宽带脉冲信号辐射的Vivaldi天线设计过程中激励信号不确定、激励信号参数变化导致的工作量，显著提高天线设计效率。显著提高天线设计效率。显著提高天线设计效率。

【技术实现步骤摘要】
一种超宽带时域脉冲辐射Vivaldi天线设计方法


[0001]本专利技术属于天线
，具体涉及到一种超宽带时域脉冲辐射Vivaldi天线设计方法。

技术介绍

[0002]超宽带时域脉冲辐射天线是超宽带无线电系统的重要组成部分，广泛应用于高功率超宽带无线电、超宽带雷达(如探地雷达和生物医学探测)，以及超宽带通信等领域。与常规的谐波工作模式下的天线不同，超宽带时域脉冲辐射天线的辐射特性例如辐射因子、波形参数以及时域方向图等由天线结构尺寸和激励脉冲信号共同决定，因此天线设计需要从结构尺寸和激励波形两个方面综合考虑。
[0003]以往超宽带无线电系统的构建大都遵循“信号源
→
辐射天线
→
电场脉冲信号”的设计思路，但最终技术指标主要针对天线所辐射的电场脉冲信号参数，例如脉宽等，对于天线的激励波形即信号源输出波形并无明确规定，尽管这对于信号源和天线来说设计自由度和灵活性较高，但同时会导致天线设计难度大、设计周期长、设计过程繁琐以及效率低等问题。当信号源尚未完成设计时，常采用标准的高斯脉冲作为天线的激励波形展开设计，但这与信号源实际输出波形差异较大，即使完成天线设计，仍然需待信号源输出波形确定后重新开展设计优化；若仅从频域角度出发设计天线，则会出现频域特性表现良好，但时域特性并未达到最优的情况；而若后续信号源输出波形参数发生变化，需要随之对天线进一步反复优化，如此会大幅增加工作量。此外，对于信号源而言，通常没有指定其输出波形的相关参数指标要求，同样难以开展设计工作。上述问题将导致整个系统设计周期和过程较为漫长，成本和复杂程度也较高，不利于超宽带无线电系统的工程化实现。
[0004]Vivaldi天线作为一种超宽带时域脉冲辐射天线，具有工作频带宽、方向性好、高增益、低交叉极化等优点，并且其由双面覆铜介质板刻蚀而成，质量轻便易于加工集成，近年来被广泛的应用于超宽带无线电系统构建。但在Vivaldi天线实际设计优化过程中，仍然存在上述问题。因此有必要针对Vivaldi天线研究探索从电场脉冲信号到辐射天线再到信号源的设计思路与方法，提高辐射天线以及整个无线电系统的设计效率、降低设计难度、减小工作量，为超宽带无线电系统的构建提供新思路，同时也为超宽带脉冲信号源的设计及输出波形参数调整提供参考。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是提供一种超宽带时域脉冲辐射Vivaldi天线设计方法，解决超宽带无线电系统辐射天线设计中激励信号未定时导致的设计过程繁琐、工作量大、周期长、效率低等技术问题，同时为同一超宽带无线电系统中脉冲信号源的设计及输出波形参数调整提供参考。
[0006]为达到上述目的，解决上述技术问题，本专利技术的技术方案如下：
[0007]S1根据超宽带无线电系统对于辐射脉冲信号的技术指标构造相应的参考波形，并
经傅里叶变换获得频谱信息
[0008]参考波形为一阶高斯脉冲，脉宽满足超宽带无线电系统关于所辐射超宽带信号的技术指标；
[0009]远区场点位置位于超宽带无线电系统辐射天线主轴上，并设定远区场点至辐射天线口面中心的距离；
[0010]傅里叶变换中频率上限不小于所述参考波形上升沿的倒数；
[0011]频谱信息包括幅度谱信息和相位谱信息；
[0012]S2确定辐射天线的基本结构与尺寸参数
[0013]辐射天线为Vivaldi天线；
[0014]辐射天线长、宽等基本尺寸由超宽带无线电系统的实际使用需求和使用场合确定；
[0015]Vivaldi天线辐射结构的轮廓线均为曲线渐变形式，并给定渐变曲线方程；
[0016]S3求解等效传递函数
[0017]S3.1将Vivaldi天线等效为曲线辐射器，并以曲线辐射器馈电点为坐标系原点，给出S1中天线远区场点在该坐标系中的坐标；
[0018]Vivaldi天线为共面Vivaldi天线时，曲线辐射器由共面Vivaldi天线辐射结构的上、下渐变轮廓曲线构成；
[0019]Vivaldi天线为对跖Vivaldi天线时，将位于天线介质基板上下两个表面的辐射贴片的曲线轮廓线置于同一个平面，形成由两对渐变曲线构成的曲线辐射器；
[0020]S3.2写出构成曲线辐射器的每一对渐变曲线上的频域电流分布表达式，并将各曲线电流分布分解为两个方向的频域电流分布；
[0021]各曲线电流分布为频域幅值归一化的位置函数，包含曲线起始端和末端的多次反射；
[0022]分解是将曲线上任意位置的曲线电流元分解为两个方向的电流元，并分别写出各方向上频域电流分布表达式；
[0023]两个方向为天线的极化方向与电场的传播方向；分解后曲线上任意点位置各方向上电流大小由该位置处切线与各方向所成夹角决定；
[0024]两个方向上的频域电流分布符号规定如下，对于上下对称的两条渐变曲线，各曲线沿天线极化方向的电流分量符号相同，沿电场传播方向的电流分量符号相反；
[0025]S3.3由S3.2中获得的曲线辐射器的两个方向上的频域电流分布经推导获得曲线辐射器主轴远区场点上的电场各方向频域分量表达式；
[0026]推导过程包括由各方向频域电流分布推导获得远区场点位置处的矢势；再由矢势经矢量计算推导获得该场点位置处的磁场各方向分量；最后根据无源区磁场和电场的关系推导获得各方向的电场频域分量；
[0027]S3.4由S3.3获得的曲线辐射器主轴远区场点位置处主极化方向电场频域分量与S3.2中的幅值归一化电流获得该场点位置处主极化方向电场波形至辐射器馈电端激励电压波形的等效传递函数，并通过数值积分获得等效传递函数的数值解；
[0028]等效传递函数求解过程中，当S2中的天线为对跖Vivaldi天线时，等效传递函数为曲线辐射器中各对渐变曲线传递函数和的二分之一；
[0029]等效传递函数包括幅度谱和相位谱；
[0030]等效传递函数幅度谱、相位谱的频率范围与S1中电场参考波形的频谱范围一致；
[0031]数值积分中积分步长的取值不大于等于S2中天线宽度的百分之一；
[0032]S4构造贴近实际的激励波形
[0033]S4.1由S1中参考波形的频谱信息以及S3获得的等效传递函数计算得到等效激励波形的频谱信息；
[0034]获取等效激励波形频谱信息的具体操作方式为，将参考波形幅度谱与等效传递函数幅度谱在对应频率上相乘，相位谱对应相加；或者将参考波形的幅度谱和相位谱表示为复数形式，与同样表示为复数形式的传递函数对应相乘。
[0035]S4.2对由S4.1获得的等效激励波形的频谱信息进行傅里叶反变换得到等效激励波形；
[0036]傅里叶反变换时时间步长小于S3.4中所述积分步长与光速之比；
[0037]S4.3由等效激励波形时间参数构造贴近实际的激励波形
[0038]等效激励波形时间参数包括上升沿、脉宽；
[0039]构造的贴近实际的激励波形为双指数类脉冲本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种超宽带时域脉冲辐射Vivaldi天线设计方法，其特征在于，包括如下步骤：S1根据超宽带无线电系统对于辐射脉冲信号的技术指标构造相应的参考波形，并经傅里叶变换获得频谱信息选择一阶高斯脉冲作为参考波形，脉宽满足超宽带无线电系统关于对于辐射超宽带信号的技术指标；远区场点位置位于超宽带无线电系统辐射天线主轴上，并设定远区场点至辐射天线口面中心的距离；傅里叶变换中频率上限不小于所述参考波形上升沿的倒数；频谱信息包括幅度谱信息和相位谱信息；S2确定辐射天线的基本结构与尺寸参数选择辐射天线为Vivaldi天线；辐射天线长和宽的尺寸由超宽带无线电系统的实际使用需求和使用场合确定；Vivaldi天线辐射结构的轮廓线均为曲线渐变形式，并给定渐变曲线方程；S3求解等效传递函数S3.1将Vivaldi天线等效为曲线辐射器，并以曲线辐射器馈电点为坐标系原点，给出S1中天线远区场点在该坐标系中的坐标；Vivaldi天线为共面Vivaldi天线时，曲线辐射器由共面Vivaldi天线辐射结构的上、下渐变轮廓曲线构成；Vivaldi天线为对跖Vivaldi天线时，将位于天线介质基板上下两个表面的辐射贴片的曲线轮廓线置于同一个平面，形成由两对渐变曲线构成的曲线辐射器；S3.2写出构成曲线辐射器的每一对渐变曲线上的频域电流分布表达式，并将各曲线电流分布分解为两个方向的频域电流分布；各曲线电流分布为频域幅值归一化的位置函数，包含曲线起始端和末端的多次反射；分解是将曲线上任意位置的曲线电流元分解为两个方向的电流元，并分别写出各方向上频域电流分布表达式；两个方向为天线的极化方向与电场的传播方向；分解后曲线上任意点位置各方向上电流大小由该位置处切线与各方向所成夹角决定；两个方向上的频域电流分布符号规定如下，对于上下对称的两条渐变曲线，各曲线沿天线极化方向的电流分量符号相同，沿电场传播方向的电流分量符号相反；S3.3由S3.2中获得的曲线辐射器的两个方向上的频域电流分布经推导获得曲线辐射器主轴远区场点上的电场各方向频域分量表达式；推导过程包括由各方向频域电流分布推导获得远区场点位置处的矢势；再由矢势经矢量计算推导获得该场点位置处的磁场各方向分量；最后根据无源区磁场和电场的关系推导获得各方向的电场频域分量；S3.4由S3.3获得的曲线辐射器主轴远区场点位置处主极化方向电场频域分量与S3.2中的幅值归一化电流获得该场点位置处主极化方向电场波形至辐射器馈电端激励电压波形的等效传递函数，并通过数值积分获得等效传递函数的数值解；等效传递函数求解过程中，当S2中的天线为对跖Vivaldi天线时，等效传递函数为曲线...

【专利技术属性】
技术研发人员：王彬文，宁辉，燕有杰，刘启龙，胡学溢，曹成云，朱美琪，赵维，王殿喜，
申请(专利权)人：中国人民解放军六三六六零部队，
类型：发明
国别省市：