1 引言
基于短脉冲技术的雷达是超宽带雷达的一种形 式,比其他形式的超宽带雷达如线性调频、伪随机编 码、频率步进信号、随机噪声波雷达占有更宽的带 宽,这种直接发射脉冲的雷达又称为非正弦波雷达、 基带雷达、视频脉冲雷达、时域雷达、无载波雷达等。 这些雷达中的短脉冲多为冲激脉冲,脉冲宽度在纳 秒(ns)级或亚纳秒级,频带宽度在吉赫兹(GHz)级, 比带宽(最高频率与最低频率之比)达10:1,这种频 带对天线提高出了很高的要求。目前这种雷达在远 距离对空目标探测上有一定的应用,但由于功率有 限使其作用距离有限,但在地下目标探测中应用广 泛,如工程地质结构探测、道路下空洞及裂缝调查、 埋设物探测、水坝的缺陷检测、隧道及堤岸探测等,冲激雷达对非金属反步兵地雷的探测具有 相当的优势。探地雷达最小探测深度可在几个厘 米,最大深度可在30~50 m。
用于脉冲发射的天线有双锥天线或单锥天线, 以及其平面结构的领结天线,TEM喇叭天线等,为 了更好地进行雷达接收后续信号处理及提高探测效 果,展宽天线的带宽、减小脉冲的失真是研究的一条 主线。研究方法多是从时域进行,通过对天线的脉 冲激励,观测天线的辐射电场的时域波形变化,常用 保真系数这一参数来表征脉冲信号的失真程度。时 域有限差分法(FDTD)特别适合用于分析这种瞬态 信号,在这种天线研究中的应用最多;矩量法 (MOM)也可通过多次宽带频点的分析后用傅氏反 变换也可得到时域波形。
脉冲天线不仅可用于雷达,也可用于通信。UWB通信技术近几年也是国内外的研究热点。 在短距离高速率通信中有很好应用前景,如在个人 无线局域网(WPAN)、家庭数字媒体流传输中的应 用。UWB通信技术有基于冲激脉冲(IR)和多波段 (Multi—band)两种实现方式,FCC在2002年发布的 报告中指定其工作频段在3.1~10.6 GHz,且辐射 功率谱密度不大于一41 dBm/MHz。近几年来基 于这种应用的超宽带天线的研究报道很多,可以说 成为超宽带天线研究的另一主线。研究的目标是使 天线辐射信号的带宽在这一频带内,且多为小型、低 成本、可集成的印刷平面天线结构。
下文就脉冲天线的时域特性、天线的加载技术、 高功率脉冲天线技术、平面天线技术几个方面进行 了讨论,回顾总结了相应的研究状况。
2脉冲天线多从时域特性进行研究
传统的窄带天线多从频域进行参数定义,如方 向性、增益、辐射效率、输入阻抗、有效辐射口径等都 是在一定频率下的数值,这些参数可描述天线性能。 超宽带脉冲天线又称为瞬态天线或时域天线,占有 相当宽的频带,无法从某一频率下的参数描述天线 特性,可以用天线传递函数来描述天线性能,如在整 个宽频带内平坦的幅度响应和线性相位响应就认为 好的性能;也可用类似窄带天线的参数来描述,但有 所不同,多从能量不从功率角度来定义参数,如把 天线天线方向图定义为辐射信号的能量空间分布, 成为发射能量图,而不是一般意义的场强(或功率) 空间分布变图,这就考虑了信号的频谱特性和天线 的发射传递函数。天线波瓣图上某点的值由峰值接 收幅值与上升时间之比来计算,再归一化到最大波 瓣值;波形保真系数作为脉冲天线性能的一个重要 衡量参数,对发射天线保真系数定义为输入电压的 时间导数与辐射场的互相关系数,对接收天线定义 为人射场与接收电压的互相关系数,其值介于0到 1之间。Allen等人给出了时域天线参数的计算 式,并以高斯脉冲作天线激励源,圆锥天线作发射天 线,两种TEM喇叭作接收天线,测试比较了TEM 喇叭天线的方向性、天线有效面积和波形保真性。 喇叭天线在喇叭轴向有最大的辐射,波形保真性也 最好,保真系数最大约为0.85。
尽管时域天线参数有了计算式,但实验研究中 不方便使用,基于现有的失量网络分析仪和高速采 样示波器等仪器,对这种天线的实验研究还是要从 频域上考查VSWR带宽、增益、收发天线问的传递函数等。在时域,采用FD7FD可以对天线辐射脉冲 波形进行模拟,大多文献给出了激励脉冲与响应波 形的比较图,以考查波形保真度。也有时域近场方 向图测试系统研制出来用于脉冲天线的测量。
3 天线加载技术展宽频带以提高脉冲 辐射特性
线天线的带宽与其长粗之比有关,长粗之比越 小,带宽越宽。天线加载提高带宽的原理是从天线 的馈电端到天线末端的电阻以线性或指数关系增大 变化,使得激励电流在天线上从馈电处到天线末端 逐惭减小到零,消除天线馈电端与末端的多次反射 (振铃),使天线上的电流为行波分布。天线的激励 脉冲多为高斯脉冲或微分高斯脉冲形式,这种脉冲 有很强的低频成分,提高天线的辐射带宽,特别是低 频端的带宽可以减小辐射脉冲的失真,有利于接收 机的接收。无反射式连续电阻加载天线的理论在 1965年就由T.T.wu等人提出,文献比较全 面地分析了五种加载模型技术对脉冲辐射单极子天 线的时域波形、保真系数、反射系数、增益的影响,分 析结果可知,基于“wu—King”分布的电阻加载和阻 容加载方式天线的反射最小且波形保真度最高。近 几年国内也有不少这样的分析研究报道证实 了加载展宽频带和减小波形失真,并对线单极子改 进为球形、锥形或泪滴形天线结构。这些研究还多 是停留在基于FDTD或MOM数值分析方法的理 论分析上,实验研究或应用的文献还很少有见到。
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