介质加载天线阵的瞬态辐射特性

　　系统对数据通信传输容量的要求越来越高,现代通讯设备的频段及频宽也随之不断扩展,目前相应设备的调制脉冲的前沿及脉宽已达到ns甚至ps量级。这种超窄脉宽的电磁辐射(瞬态辐射)特性与传统的正弦波辐射(稳态辐射)相比有很大不同,开展阵列天线的时域瞬态辐射特性分析对于相关技术研究具有积极意义。已有众多学者开展过瞬态辐射特性的理论研究和仿真分析,如Harmuth[1-2]已进行了针对非正弦波传输和辐射的理论和应用研究,B.Scheers[3]和D.Sulliven[4]开展过口径辐射的时域仿真和计算,而本文则侧重于结合介质加载天线阵开展1维线阵瞬态辐射特性的数值仿真分析。

　　1　理论依据

　　1.1　时域脉冲波形

　　模拟真实的激励波形对于研究天线的瞬态辐射特性来说更加直观,但会造成过于复杂的表达式和过大的运算量。为简化分析并不失一般性,本文以单极性高斯脉冲作为时域阵列的辐射波形,其表达式为

　　典型的时域波形(取T=0.5 ns)及其能量谱分布如图1所示。

　　1.2　瞬态辐射的阵列因子

　　2　数值分析

　　2.1　阵列辐射的波形

　　阵列时域辐射场的波形不仅与观察方向有关,而且与观察的时间区间有关。图3是时间区间取±1 ns时阵列辐射波形与观察方向的关系,图中观察角分别为0°,5°,10°,15°,20°,30°和50°。由图可知,不同观察角的时域波形是不一样的,在电轴方向(θ=0°)所有阵元的脉冲到达时间一致,其时域波形完全重合,幅度实现叠加而达到最大;而在其它方向波形因到达时间不一致而产生波形畸变,幅度不能完全叠加而脉冲持续时间相应延长。

　　2.2　阵列的瞬态与稳态特性差异

　　图4是同一天线阵分别在瞬态高斯脉冲和稳态时谐正弦波两种激励情况下的计算得到的辐射能量方向图。计算天线阵时取m=4,阵列长度取64 cm,高斯脉冲的T取0.5 ns,正弦波频率取1.5 GHz。由图可知,天线阵在时域脉冲激励的情况下不像时谐场那样具有明显的零点和副瓣。其主要原因是后者依靠电磁波的干涉作用来形成辐射的方向性,而前者是在不同方向上的辐射波形差异造成幅度和持续时间不同而形成的方向性,因而其所形成的方向图不会造成正负值相消而出现零点,自然也就不会出现明显的旁瓣[6]。这也是时域辐射阵列与普通时谐阵列的重要差异。

　　当然,上述结果并非绝对的,对于本文采用的单极高斯脉冲波形来说这是成立的。而对于辐射波形本身是双极高斯脉冲或更加复杂的振荡型脉冲波形,则也可形成类似的零点和旁瓣,且零点和旁瓣的数量和位置与辐射脉冲的波形参数密切相关。