申请/专利权人：中国人民解放军63660部队

申请日：2022-04-21

公开（公告）日：2024-04-19

公开（公告）号：CN114896769B

主分类号：G06F30/20

分类号：G06F30/20;G06F17/14;G06F111/10

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2024.04.19#授权;2022.08.30#实质审查的生效;2022.08.12#公开

摘要：本发明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。

主权项：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辐射器中各对渐变曲线传递函数和的二分之一；等效传递函数包括幅度谱和相位谱；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；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；S4构造贴近实际的激励波形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；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；S4.3由等效激励波形时间参数构造的贴近实际的激励波形等效激励波形时间参数包括上升沿、脉宽；构造的贴近实际的激励波形为双指数类脉冲，其上升沿小于等效激励波形的上升沿；脉宽大于等效激励波形上升沿的1.4倍，小于等效激励波形的脉宽；S5天线的建模设计S5.1根据S2中天线的基本结构与尺寸参数建立天线的数值模型；S5.2以S4.3中获得的贴近实际的激励波形激励天线并观察天线远区辐射场波形；辐射场波形若满足S1中超宽带无线电系统关于所辐射超宽带电场信号的技术指标，即完成初步设计；若不满足，返回步骤S4.3重新构造波形，但波形参数仍需满足S4.3中各时间参数的区间范围。

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