1、引言

光電子技術、微波技術和激光技術的進步和相互結合，產生能夠工作在時域的高速、高頻電子開關器件－光導開關。該開關具有良好的電磁學響應特性。在線性工作模式下的輸出波形近似為高斯脈沖。考察幾種常見的超寬帶天線可發現，一些傳統的超寬帶天線形式并不能輻射時域脈沖波形，只有領結天線、單極天線、雙錐天線和TEM喇叭天線等形式可輻射時域波形。

空間技術的發展對天線共形提出更高的要求。英國宇航公司研制高性能小尺寸的光導開關，試驗中光導天線系統產生了30 MW的高功率微波。若把該光導開關和天線鑲嵌在作戰飛機的保形蒙皮內，可能實現高功率微波(High Power　Microwave，簡稱HPM)武器的效果。

其中一項關鍵技術就是如何選擇或設計高性能的時域超寬帶天線形式，該天線具有尺寸小，能夠承受較大功率，具有定向輻射性能，剖面低易于與載體共形等特點。

2、新型時域天線分析

Vivaldi天線是由較窄的槽線過渡到較寬的槽線構成的。槽線寬度呈指數規律變化，寬度由內向外逐漸增大，形成喇叭口狀向外輻射或向內接收電磁波。一般耦合型Vivaldi寬帶天線的帶寬主要受微帶線到槽線變換的限制，而對極型Vivaldi天線由于其微帶線及其接地面都逐漸展開，因此沒有變換匹配的限制，其帶寬主要由槽線和自由空間的匹配決定，故通常可達幾十個倍頻程。根據對極型Vivaldi寬帶天線的設計理論做相應的電磁仿真(圖1a)，仿真模型尺寸為94 mmx40 mm×3．15 mm，采用高斯脈沖激勵，如圖1b所示，Vivaldi天線能夠輻射時域波形，可作為時域天線使用。不過Vivaldi天線為輻射方向為端射方向，該天線在輻射方向上剖面大，很難與平面載體表面共形，可將Vivaldi天線放在導彈前端作為導引頭使用。Vivaldi天線形式為微帶結構，功率容量小，不能作為高功率超寬帶電磁脈沖系統的天線單元。為方便比對，這里仿真的饋電均采用高斯脈沖激勵，為模擬光導開關的線性響應，高斯脈沖的脈沖寬度取120 ps，即研究比較成熟的GaAs光導開關線性響應的脈沖寬度。Valentine天線屬于行波天線。它由銅條帶按特殊的輪廓圖1對極型Vivaldi天線仿真時域結果彎曲而成，這種結構設計優化高頻和低頻的輻射性能。對該天線進行近似模擬仿真(圖2a)，天線尺寸為950 mm×1 136 mm×50 mm。圖2b為仿真結果，Valentine天線能夠輻射時域波形，該天線具有增益高，方向性好，低交叉極化，保形性好，可承受高電壓脈沖等優點，可是作為超寬帶雷達研究的一個實例，不過該天線形式尺寸和天線剖面都較大，不易與載體共形。

圖1、對極型Vivaldi天線仿真時域結果

圖2、Valentine天線仿真時域結果

3、雙極變張角時域天線的設計

機載共形要求天線尺寸小，并且可承受較大的功率。天線設計的具體要求有：需要天線有超寬帶特性，普通的寬帶或窄帶天線不符合設計要求；需要天線單元定向輻射，因此盤錐天線、雙錐天線和領結天線形式不符合設計要求；要求天線可以承受較大的功率，Vivaldi天線等微帶天線形式不符合設計要求；要求天線尺寸小，易加工，Valentine天線等較大尺寸的天線形式不符合設計要求；要求天線剖面低，易于與載體共形，因此TEM喇叭天線不符合設計要求。

這里結合領結天線的低剖面優點和TEM喇叭天線的定向輻射特點，設計一種定向輻射的天線形式一雙極變張角天線，構成天線的曲線形式可選二次曲線或指數曲線。曲線漸變的天線形式大多阻抗變化連續，有時可較大改善天線的阻抗性能。經嘗試對比，指數曲線比二次曲線的曲率變化易于調試，最終選擇指數曲線形式。

曲線參數為：

y=cexp(ax+b)±d

式中，a，b，c，d為指數曲線的4個可調節參數，可根據實際應用需求調節其取值范圍，在確定的取值范圍內將各參數作為優化參量優化需要的天線指標。

首先在頻域標準下優化該天線的曲線形式，在固定天線剖面15 mm不變的前提下，以指數曲線各參數為優化變量，以天線在脈沖頻譜內S11曲線最小為優化目標，圖3a為優化得到的天線形式，天線尺寸為100 mmx100 mmx15 mm。圖3b、圖3c為仿真結果，雖然天線在整個頻帶內阻抗匹配較好，具有超寬帶天線特性，但該天線主輻射方向上的時域電壓響應波形并不理想，天線未達到時域波形的保形條件。

圖3、超寬帶雙極變張角天線

在時域標準下優化該天線的曲線形式，即在天線剖面為15 mm不變的前提下，以指數曲線各參數為優化變量，以天線的峰一峰值為優化目標，圖4a為優化得到的天線形式，天線尺寸結果為25 mmx25 mm×15 mm，在同樣的峰峰值情況下，該天線比其他時域天線的尺寸要小得多。

圖4、雙極變張角時域天線

圖4b為仿真結果，雙極變張角天線可輻射較標準的時域波形。時域響應波形具有較好的保形性和對稱性，且拖尾較小。該天線可滿足前面提到的時域天線設計的各種要求。

4、結束語

時域定義下評價時域天線設計，主要包括輻射波形的脈沖拖尾、峰峰值、對稱性和天線的保形性。通過對不同形式的超寬帶天線對比，總結出時域超寬帶天線的一些設計要求：天線可輻射TEM波；天線的相位中心在脈沖頻譜內變化不大；天線在頻譜范圍內電壓響應較平坦。結合光導開關線性模式脈沖響應波形設計一種新型的時域超寬帶天線，即雙極變張角天線。利用光導開關作為激勵的雙極變張角天線天線單元組陣，鑲嵌到光傳操縱的作戰飛機保形蒙皮內，通過空間功率合成技術可實現HPM武器的效果。

作者：鄭偉、楊峰、周海京，電子科技大學