第２２卷第１０期
强激光与粒子束Ｖｏｌ．２２，Ｎｏ．１０ ２０１０年１０月ＨＩＧＨＰＯＷＥＲＬＡＳＥＲＡＮＤＰＡＲＴＩＣＬＥＢＥＡＭＳＯｃｔ．，２０１０ 文章编号： １００１ ４３２２（２０１０）１０ ２３８８ ０５
徐 刚１，２， 廖 勇２， 谢 平２， 张现福２， 孟凡宝２， 唐传祥１
（１．清华大学工程物理系，北京１０００８４； ２．中国工程物理研究院应用电子学研究所，四川绵阳６２１９００） 摘 要： 研制了中心频率为３００ＭＨｚ的宽带高功率贴片天线，并进行了高功率实验研究。采用Ｔａｇｕｃｈｉ
全局优化算法对双层贴片天线的结构参数进行优化设计，使其驻波比小于３的带宽达到６０．２％，最大增益８．１
ｄＢ。为提高其功率容量，对贴片、介质基底和馈电结构进行了改进和相应的绝缘设计。小信号测试结果与理
论计算吻合，实测带宽达到６４．２％。高功率实验中，馈入峰值８９ｋＶ和－８１ｋＶ的双极的脉冲，辐射因子达到 ７５．２ｋＶ，等效峰值辐射功率为１８８．５ＭＷ，辐射场频谱的３ｄＢ带宽为４６％，实测能量方向图与模拟结果相符，
能量传送器
半能量角宽约为９０°。
关键词： 宽带高功率微波； 贴片天线； 优化设计； 带宽； 辐射因子； 能量方向图
中图分类号： ＴＮ８２ 文献标志码： Ａ 犱狅犻：１０．３７８８／ＨＰＬＰＢ２０１０２２１０．２３８８
宽带高功率微波是目前高功率微波研究的一个热点［１ １０］。它的时域波形为衰减的振荡脉冲，与传统窄带和超宽带高功率微波相比，兼顾了较宽频谱和较高谱功率密度的特点。目前已研制的宽带高功率辐射装置的中心频率均位于１００～８００ＭＨｚ的较低频段内，且耦合进入电子系统的效率比高频微波高［１１］，所以在电磁兼容和高功率微波效应研究领域的应用具有较大研究价值。本文介绍了目前国内外宽带高功率辐射装置中天线的发展现状和特点，提出了采用底剖面、高增益的贴片天线作为辐射器，通过采用双层贴片形式增大带宽，以及对馈电结构、上下介质层之间加围壁构成天
线罩等方式来提高其功率容量，优化设计了适于高功率宽带电磁脉冲辐射的贴片天线，并在小信号和高功率双极脉冲馈入情况下进行了初步实验。
１ 发展现状
作为核电磁脉冲模拟器以及电磁兼容、宽带高功率微波效应研究的微波源，许多国家从２０世纪９０年代开始就对宽带高功率微波做了大量研究。目前已研制出的辐射装置主要采用２种技术路线：一种是由Ｃ．Ｅ．Ｂａｕｍ提出的采用开关激励的低阻抗１／４波长同轴线与高输入阻抗的天线直接连接，产生振荡脉冲并辐射［３］，如美国空军实验室的Ｍａｔｒｉｘ系统［５］和美国与瑞士联合研制的Ｏｓｃ Ａｎｔ装置［６］；另外一种方式就是将脉冲功率源产生的快脉冲直接馈入自振荡天线，如德国ＤＳ１１０系统的多匝圆环天线。而其余较多的是对单锥或锥振子充电后，位于锥顶的火花隙开关导通使天线产生自振荡，如ＤＳ３５０，ＲＡＳＳ和ＣＨＷＳ等装置［７ １０］。这些宽带高功率脉冲辐射装置的主要参数如表１所示，其中宽带脉冲辐射装置的辐射性能可用辐射因子增益来衡量，定义为［１２］
犌ｒａｄ＝狉ｅ
犝ｄ
（１）
式中：狉
ｅ为辐射因子；犝
ｄ
为驱动脉冲源的电压。
表１ 高功率宽带脉冲辐射器发展现状
犜犪犫犾犲１ 犇犲狏犲犾狅狆犿犲狀狋狊狋犪狋狌狊狅犳犺犻犵犺狆狅狑犲狉狑犻犱犲犫犪狀犱狉犪犱犻犪狋狅狉狊
ｄｅｖｉｃｅｄｒｉｖｅｐｕｌｓｅ／ｋＶ狉ｅ／ｋＶｂａｎｄｗｉｄｔｈ／％ａｎｔｅｎｎａｓｉｚｅｒａｄｉａｔｉｏｎｆａｃｔｏｒｇａｉｎＭａｔｒｉｘ（Ｕ．Ｓ．）１５０９０１０３．７ｍ×１．９ｍ×１．５ｍ０．６０
Ｏｓｃ Ａｎｔ（Ｕ．Ｓ．Ｓｗｉｔｚｅｒｌａｎｄ）５０１８１５０．５６ｍ×０．５６ｍ×１．３５ｍ０．３６ＤＳ１１０（Ｇｅｒｍａｎ）４００１２５３００．１５ｍ×０．１５ｍ×０．４０ｍ０．３１ＤＳ３５０（Ｇｅｒｍａｎ）１０００３００５００．４ｍ×０．４ｍ×１．５ｍ０．３０ＲＡＳ
Ｓ（Ａｕｓｔｒａｌｉａ）２００６０２６０．３ｍ×０．３ｍ×０．４ｍ０．３０ＢＡＥ（Ｕ．Ｋ．）５０ ＜１００．３ｍ×０．３ｍ×０．５ｍ—ＣＨＷＳ（Ｃｈｉｎａ）７１２８１３０．３５ｍ×０．３５ｍ×０．２０ｍ０．３９
收稿日期：２００９ ０７ １０； 修订日期：２０１０ ０２ ０３
作者简介：徐 刚（１９８４—），男，博士研究生，从事高功率微波研究；ｘｕｇａｎｇｔｈｕ＠ｇｍａｉｌ．ｃｏｍ。
由表１可知，
在目前已报道的宽带高功率微波辐射装置中，Ｍａｔｒｉｘ系统的辐射因子增益最大，达到０．６，但天线采用直径３．７ｍ的Ｈ ＩＲＡ，尺寸较大，而其它紧凑辐射装置采用的线天线增益均较低，辐射因子增益小于０．４。因此研究尺寸紧凑且具有较高增益的宽带高功率微波辐射天线成为了提高装置辐射能力、
增大作用距离的有效途径之一。
２ 天线的优化设计
２．１
双层贴片天线结构
Ｆｉｇ
．１ ３Ｄｖｉｅｗｏｆｐａｔｃｈａｎｔｅｎｎａ图１ 贴片天线的３维视图
文中的宽带贴片天线采用了“
尼龙 气体 尼龙”复合介质基底和双层贴片的结构以增大带宽［１３
］。为了提高天线
蔬菜保鲜柜
的功率容量，
设计中没有采用宽带贴片天线中常用的“探针
电容”组合馈电方式［１４］，而是采用了基于圆锥传输线的馈电结构以减小引线电感，
因为下贴片直接与脉冲高压内芯相连，所以在上下介质层之间的四周增加了介质围壁。尼龙介质围成的腔体中充ＳＦ６气体以提高绝缘强度。改进后的双层贴片结构如图１所示，天线的尺寸为０．４５ｍ×０．４５ｍ×０．１３ｍ，上下贴片的边缘和４个角进行了卷边和倒角处理，尼龙罩和基底用螺栓固定于地板上。
２．２ 天线优化设计及测试
影响贴片天线输入阻抗带宽的因素很多。本文中除了尼龙基底的介电常数固定以外，
还有３层介质基底的各自厚度犎犻（犻＝１，２，３）、两层贴片的尺寸犠犻×犔犻（
犻＝１，２）和馈电位置犡这８个可变参数。优化设计的目标是寻这些参数的最优组合，使天线输入阻抗带宽达到最大。由于参数多，即使优化精度为参数范围的
１／１０，也将有多达１０
８种参数组合，这使得采用传统的参数扫描方法来寻全局最优变得不可行。 本文采用Ｔａｇｕｃｈｉ方法对天线的结构尺寸进行了优化设计，它与常用的遗传算法（ＧＡ）和模拟退火算法（ＳＡ）
相比，具有实现简单、收敛快等特点，可大大减少优化所需的计算量［１５ １６］
。图２为优化进程中目标函数的收敛曲线，经过２０次迭代即收敛到较好的适应度值ＳＮ
。
网络隔离Ｆｉｇ．２ Ｃｏｎｖｅｒｇｅｎｃｅｃｕｒｖｅｉｎｏｐ
ｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓ图２
优化进程中的收敛曲线
Ｆｉｇ．３ ＶＳＷＲｏｆｏｐ
栅栏式接线端子ｔｉｍｉｚｅｄａｎｔｅｎｎａ图３
优化后天线的驻波比
Ｆｉｇ．４ Ｓｉｍｕｌａｔｅｄ犎 ｐｌａｎｅｐａｔｔｅｒｎｏｆｏｐ
ｔｉｍｉｚｅｄａｎｔｅｎｎａ图４ 优化后天线的犎面方向图
优化后的贴片天线输入阻抗带宽达到６０．２％（驻波比ＶＳＷＲ小于３）。模拟计算和实测的驻波曲线如图３所示，可见实测反射系数与模拟结果基本相符。实测阻抗带宽为６４．２％；模拟计算的带内增益均大于６．５ｄＢ。不同频率的Ｈ面方向图如图４所
示，最大增益达到了８．１ｄＢ，天线在低于３８０ＭＨｚ的带宽范围内具有较好的方向性，大于３８０ＭＨｚ时主瓣将在犎面分裂为两瓣。从图３可看到，此天线适合于辐射中心频域为２４５～４４０ＭＨｚ、带宽１０％～２０％的宽带脉冲。
９
８３２第１０期徐 刚等：宽带高功率贴片天线优化设计与实验
２．３ 功率容量和力学分析
为检验贴片天线的功率容量，
计算了在馈入峰值±２００ｋＶ、底宽３ｎｓ的双极脉冲时天线近场的最大电场分布，结果如图５所示，其中下层贴片表面最大电场为１４３ｋＶ·ｃｍ－１；上层贴片表面最大场为７１ｋＶ·ｃｍ－１。上层贴片可暴露于空气中，而下层贴片所处的天线罩内至少充０．２ＭＰａ的ＳＦ６气体，以获得足够的绝缘强度。在充气气压为０．２ＭＰａ时尼龙天线罩的应力如图６所示，其中根据对称关系，只对天线罩的１／４建模，
可见最大应力为２０ＭＰａ，低于增强尼龙的屈服应力５９ＭＰａ［１
７］
。Ｆｉｇ
．５ Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆｍａｘｉｍｕｍｅｌｅｃｔｒｉｃ ｆｉｅｌｄｉｎａｎｔｅｎｎａ图５
天线内最大电场分布
Ｆｉｇ．６ Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆｓｔｒｅｓｓｉｎｎｙｌｏｎｃａｇ
ｅ图６ 尼龙天线罩的应力分布
３ 高功率实验研究
３．１ 实验布局
按优化参数设计加工了宽带高功率贴片天线，
并在ＳＯＳ平台双极脉冲源上进行了高功率验证实验。图７为实验装置的布局。由ＳＯＳ源充电的双极脉冲形成线产生正负峰值相近的双极脉冲后馈入贴片天线，主辐射方向上贴片天线到对数周期天线的距离狉＝２．５５ｍ，
示波器同时监测接收天线测得的辐射场和由馈线内电容分压器采集的输入脉冲波形
。
Ｆｉｇ．７ Ｌａｙｏｕｔｏｆｈｉｇｈｐｏｗｅｒｅｘｐ
ｅｒｉｍｅｎｔ图７ 高功率实验布局示意图
３．２ 实验结果
首先输出端为匹配电阻负载时对双极脉冲产生器进行调试。图８（
ａ）为电容分压器测得的天线输入脉冲波形，正、负峰值分别为８９ｋＶ和－８１．５ｋＶ，底宽２．８ｎｓ，峰值功率１５８．４ＭＷ，脉冲能量０．１７Ｊ；馈入脉冲的频谱如图８（ｂ）所示，其中心频率为３００ＭＨｚ。由于双极脉冲并非理想的宽带脉冲，高频分量比较大，相当一部分能量处于天线带宽之外。
接上天线后主辐射方向的辐射因子如图９
（ａ）所示，最大辐射因子为７５．２ｋＶ，辐射因子增益为０．８４，等效辐射能量０．５８Ｊ，等效峰值功率１８８．５ＭＷ。图９（ｂ）为归一化频谱，辐射场中心频率３１５ＭＨｚ，由于增益随频率升高而增大，中心频率比馈入脉冲的中心频率要高，３ｄＢ带宽为４６％。辐射场的带宽和辐射因子增益与馈入脉冲关系较大，当馈入脉冲为带宽较窄的衰减振荡时，脉冲的频谱完全位于天线的带宽范围内，辐射效率和辐射因子增益也将更高。
在天线犎面的不同方位测量了辐射场波形以获得天线的能量方向图，
宽带脉冲辐射天线的能量方向图表示所测天线与全向辐射天线在某个方位上辐射脉冲能量的比值，可定义为［
１８］
０
９３２强激光与粒子束
第２２卷
Ｆｉｇ．８ Ｉｎｐｕｔｂｉｐｏｌａｒｐｕｌｓｅａｎｄｉｔｓｓｐ
ｅｃｔｒｕｍ图８
馈入脉冲波形和频谱
Ｆｉｇ．９ Ｗａｖｅｆｏｒｍｏｆｒａｄｉａｔｉｏｎｆａｃｔｏｒａｎｄｉｔｓｎｏｒｍａｌｉｚｅｄｓｐ
ｅｃｔｒｕｍ图９
辐射因子和归一化频谱
Ｆｉｇ．１０ Ｎｏｒｍａｌｉｚｅｄｅｎｅｒｇｙｐａｔｔｅｒｎｉｎ犎 ｐ
ｌａｎｅ图１０ 犎面的归一化能量方向图
犉ｅ（θ， ）＝
∫
＋∞
０［狉ｅ（狋，θ， ）］２
／η
０ｄ狋１
４π Ω
∫
＋∞
０
［狉ｅ（狋，θ， ）］２
／η
０ｄ狋ｄΩ（２
quartz插件
）式中：θ和 为方位角；Ω为立体角；η０为自由空间的波阻抗。
图１
０为天线模拟计算和实测的犎面归一化能量方向图，由于天线方向图在犎面有对称性，只实测了贴片法向一侧的几个点。由图可见：
实验结果与模拟计算基本吻合，其半能量角宽约为９０°，背向辐射很小，具有较好的方向性。
４ 结 论
对较低频率宽带贴片天线的模拟计算与高功率实验研究表明：通过对馈电结构的改进、结构尺寸的优化设计以及高功率馈入情况下的绝缘设计，宽带贴片天线可用于辐射宽带高功率微波，且符合结构紧凑、较高增益的要求。高功率实验中馈入峰值８９ｋＶ的双极脉冲时获得了７５．２ｋＶ的辐射因子，且由于该天线具有６４．２％的带宽，可用于辐射中心频率在一定范围内变动的宽带微波。此外，贴片天线易于组成阵列，此辐射技术对发展更高增益的宽带高功率微波辐射天线阵列具有一定参考价值。参考文献：
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９３２第１０期徐 刚等：宽带高功率贴片天线优化设计与实验
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犺犘狅狑犲狉犔犪狊犲狉犪狀犱犘犪狉狋犻犮犾犲犅犲犪犿狊，２００９，２１（４）：６０５ ６０８）．［１１］ ＩＨＳ．Ｈｉｇｈ ｐｏｗｅｒｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ（ＨＰＥＭ）ｅｆｆｅｃｔｓｏｎｃｉｖｉｌｓｙ
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）犗狆狋犻犿犪犾犱犲狊犻犵狀犪狀犱犲狓狆犲狉犻犿犲狀狋狅狀犺犻犵
犺狆狅狑犲狉狑犻犱犲犫犪狀犱狆犪狋犮犺犪狀狋犲狀狀犪ＸｕＧａｎｇ１，
２， ＬｉａｏＹｏｎｇ２， ＸｉｅＰｉｎｇ２， ＺｈａｎｇＸｉａｎｆｕ２， ＭｅｎｇＦａｎｂａｏ２， ＴａｎｇＣｈｕａｎｘｉａｎｇ
１
（１．犇犲狆犪狉狋犿犲狀狋狅犳犈狀犵犻狀犲犲狉犻狀犵犘犺狔狊犻犮狊，犜狊犻狀犵犺狌犪犝狀犻狏犲狉狊犻狋狔，犅犲犻犼犻狀犵１０００８４，犆犺犻狀犪；２．犐狀狊狋犻狋狌狋犲狅犳犃狆狆犾犻犲犱犈犾犲犮狋狉狅狀犻犮狊，犆犃犈犘，犘．犗．犅狅狓９１９ １０１５，犕犻犪狀狔犪狀犵６
２１９００，犆犺犻狀犪） 犃犫狊狋狉犪犮狋： Ａ３００ＭＨｚ ｃｅｎｔｅｒｆｒｅｑｕｅｎｃｙｗｉｄｅｂａｎｄｐａｔｃｈａｎｔｅｎｎａｈａｓｂｅｅｎｄｅｖｅｌｏｐｅｄｆｏｒｈｉｇｈｐｏｗｅｒｗｉｄｅｂａｎｄｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔ ｉｃ（ＥＭ）ｐｕｌｓｅｒａｄｉａｔｉｏｎ，ｓｍａｌｌｓｉｇｎａｌｔｅｓｔａｎｄｈｉｇｈｐｏｗｅｒｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓｗｅｒｅｐｅｒｆｏｒｍｅｄ．Ｔｈｅｔｗｏ ｌａｙｅｒ ｐａｔｃｈａｎｔｅｎｎａｓｔｒｕｃｔｕｒｅｗａｓｏｐｔｉｍｉｚｅｄｂｙＴａｇｕｃｈｉｇｌｏｂａｌｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄａｓｓｏｃｉａｔｅｄｗｉｔｈＥＭｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｓｏｆｔｗａｒｅ，６０．２％ｉｍｐｅｄａｎｃｅｂａｎｄｗｉｄｔｈ（ＶＳＷＲ＜３）ａｎｄ８．１ｄＢｍａｘｉｍｕｍｇａｉｎｗｅｒｅｏｂｔａｉｎｅｄｉｎｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ，ａｎｄｔｈｅｎｉｎｓｕｌａｔｉｏｎｄｅｓｉｇｎｗａｓｐｅｒｆｏｒｍｅｄｔｏｅｎｈａｎｃｅｔｈｅａｎｔｅｎ ｎａ’ｓｐｏｗｅｒｃａｐａｂｉｌｉｔｙ．Ｔｈｅｍｅａｓｕｒｅｄ犛１１ｉｎｔｈｅｓｍａｌｌｓｉｇｎａｌｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｍａｔｃｈｅｓｗｅｌｌｗｉｔｈｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｅｄｒｅｓｕｌｔ，ａｎｄｔｈ
ｅｍｅａｓｕｒｅｄｉｍｐｅｄａｎｃｅｂａｎｄｗｉｄｔｈｒｅａｃｈｅｓ６４．２％．Ｆｅｄｂｙｔｈｅ３ｎｓ ｌｏｎｇｂｉｐｏｌａｒｐｕｌｓｅｗｉｔｈ－８９ｋＶ／＋８１ｋＶｐｅａｋｓｉｎｈｉｇｈｐｏｗｅｒｅｘｐｅｒｉ ｍｅｎｔｓ，ｔｈｅｒａｄｉａｔｉｏｎｆａｃｔｏｒｒｅａｃｈｅｓ７５．２ｋＶｗｉｔｈ４６％ｐｅｒｃｅｎｔｂａｎｄｗｉｄｔｈｏｆｔｈｅｒａｄｉａｔｅｄｆｉｅｌｄａｎｄ１８８．５ＭＷｅｑｕｉｖａｌｅｎｔｒａｄｉａｔｉｏｎｐｏｗｅｒ．Ｔｈｅｍｅａｓｕｒｅｄｅｎｅｒｇｙｐ
ａｔｔｅｒｎｃｏｎｓｉｓｔｓｗｉｔｈｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｅｄｏｎｅ，ａｎｄｔｈｅｈａｌｆｅｎｅｒｇｙａｎｇｌｅｉｓａｂｏｕｔ９０°． 犓犲狔狑狅狉犱狊： ｗｉｄｅｂａｎｄｈｉｇｈｐｏｗｅｒｍｉｃｒｏｗａｖｅ； ｐａｔｃｈａｎｔｅｎｎａ； ｏｐｔｉｍａｌｄｅｓｉｇｎ； ｂａｎｄｗｉｄｔｈ； ｒａｄｉａｔｉｏｎｆａｃｔｏｒ； ｅｎｅｒｇｙｐ
ａｔｔｅｒｎ２
９３２强激光与粒子束
第２２卷
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