双极变张角时域天线设计

1 引言
光电子技术、微波技术和激光技术的进步和相互结合，产生能够工作在时域的高速、高频电子开关器件－光导开关。该开关具有良好的电磁学响应特性。在线性工作模式下的输出波形近似为高斯脉冲。考察几种常见的超宽带天线可发现，一些传统的超宽带天线形式并不能辐射时域脉冲波形，只有领结天线、单极天线、双锥天线和TEM喇叭天线等形式可辐射时域波形。
空间技术的发展对天线共形提出更高的要求。英国宇航公司研制高性能小尺寸的光导开关，试验中光导天线系统产生了30 MW的高功率微波。若把该光导开关和天线镶嵌在作战飞机的保形蒙皮内，可能实现高功率微波(High Power　Microwave，简称HPM)武器的效果。
其中一项关键技术就是如何选择或设计高性能的时域超宽带天线形式，该天线具有尺寸小，能够承受较大功率，具有定向辐射性能，剖面低易于与载体共形等特点。

2 新型时域天线分析
Vivaldi天线是由较窄的槽线过渡到较宽的槽线构成的。槽线宽度呈指数规律变化，宽度由内向外逐渐增大，形成喇叭口状向外辐射或向内接收电磁波。一般耦合型Vivaldi宽带天线的带宽主要受微带线到槽线变换的限制，而对极型Vivaldi天线由于其微带线及其接地面都逐渐展开，因此没有变换匹配的限制，其带宽主要由槽线和自由空间的匹配决定，故通常可达几十个倍频程。根据对极型Vivaldi宽带天线的设计理论做相应的电磁仿真(图1a)，仿真模型尺寸为94 mmx40 mm×3．15 mm，采用高斯脉冲激励，如图1b所示，Vivaldi天线能够辐射时域波形，可作为时域天线使用。不过Vivaldi天线为辐射方向为端射方向，该天线在辐射方向上剖面大，很难与平面载体表面共形，可将Vivaldi天线放在导弹前端作为导引头使用。Vivaldi天线形式为微带结构，功率容量小，不能作为高功率超宽带电磁脉冲系统的天线单元。为方便比对，这里仿真的馈电均采用高斯脉冲激励，为模拟光导开关的线性响应，高斯脉冲的脉冲宽度取120 ps，即研究比较成熟的GaAs光导开关线性响应的脉冲宽度。Valentine天线属于行波天线。它由铜条带按特殊的轮廓图1对极型Vivaldi天线仿真时域结果弯曲而成，这种结构设计优化高频和低频的辐射性能。对该天线进行近似模拟仿真(图2a)，天线尺寸为950 mm×1 136 mm×50 mm。图2b为仿真结果，Valentine天线能够辐射时域波形，该天线具有增益高，方向性好，低交叉极化，保形性好，可承受高电压脉冲等优点，可是作为超宽带雷达研究的一个实例，不过该天线形式尺寸和天线剖面都较大，不易与载体共形。