肖晶， 吳剛， 謝霖?zé)觯?王海洋， 孫楚昱

(1.西北核技術(shù)研究所， 陜西 西安 710024； 2.強(qiáng)脈沖輻射環(huán)境模擬與效應(yīng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 陜西 西安 710024)

0 引言

電磁脈沖環(huán)境模擬與生成是電子系統(tǒng)電磁脈沖效應(yīng)研究的基礎(chǔ)，被廣泛用于微電子化敏感設(shè)備、裝備系統(tǒng)等電磁脈沖防護(hù)領(lǐng)域[1-3]。目前，水平極化電磁脈沖環(huán)境主要通過(guò)雙錐- 籠形或雙錐- 橢圓籠形天線(xiàn)[4-5]生成，該型天線(xiàn)具有常阻抗、寬頻帶等特點(diǎn)，在法國(guó)、美國(guó)等建設(shè)的水平極化電磁脈沖模擬器中被廣泛采用。但是，雙錐- 籠形天線(xiàn)的工作空間通常位于天線(xiàn)的正下方或側(cè)面，為了降低雙錐向籠形過(guò)渡段電流負(fù)反射對(duì)脈沖寬度造成的影響，往往需要將天線(xiàn)直徑設(shè)計(jì)得很大才能使輻射波形滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)電磁脈沖的要求[6]。

雙錐- 平面線(xiàn)柵水平極化輻射波天線(xiàn)是一種新型水平極化輻射波天線(xiàn)，具有便于機(jī)動(dòng)架設(shè)、可靈活調(diào)節(jié)等特點(diǎn)。更重要地是，與雙錐- 籠形水平極化輻射波天線(xiàn)相比，雙錐- 平面線(xiàn)柵天線(xiàn)可以減小電流負(fù)反射引起的輻射場(chǎng)脈沖寬度的損失[7]，使輻射場(chǎng)脈沖寬度接近于脈沖源在匹配負(fù)載上輸出的脈沖寬度，有利于脈沖源的設(shè)計(jì)。2009年，美國(guó)白沙導(dǎo)彈靶場(chǎng)首次將雙錐- 平面線(xiàn)柵天線(xiàn)用于新研制的先進(jìn)快前沿核電磁脈沖模擬器。2010年， Bailey等通過(guò)實(shí)際加載比較了雙錐- 平面線(xiàn)柵天線(xiàn)和原有雙錐- 橢圓籠形天線(xiàn)的輻射波形，驗(yàn)證了雙錐- 平面線(xiàn)柵天線(xiàn)在減小半寬損失、改善輻射波形方面的優(yōu)勢(shì)，并提出用這一新型天線(xiàn)替換原有的橢圓籠形天線(xiàn)[7]。需要指出的是，Bailey等設(shè)計(jì)的雙錐- 平面線(xiàn)柵天線(xiàn)并不是最優(yōu)的，天線(xiàn)參數(shù)，如構(gòu)成線(xiàn)柵天線(xiàn)的金屬導(dǎo)線(xiàn)根數(shù)和天線(xiàn)阻抗加載方式等對(duì)輻射場(chǎng)的影響并未進(jìn)行討論，有必要進(jìn)行深入研究。因此，本文在建立雙錐- 平面線(xiàn)柵天線(xiàn)仿真模型的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)對(duì)線(xiàn)柵天線(xiàn)金屬拉線(xiàn)的粗細(xì)和疏密程度對(duì)天線(xiàn)輻射特性影響進(jìn)行了研究。

1 雙錐- 平面線(xiàn)柵水平極化輻射波模擬器的結(jié)構(gòu)及建模

1.1 雙錐- 平面線(xiàn)柵水平極化輻射波模擬器的結(jié)構(gòu)

雙錐- 平面線(xiàn)柵水平極化輻射波天線(xiàn)的典型結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括雙錐、線(xiàn)柵天線(xiàn)和終端負(fù)載3部分。圖1中：線(xiàn)柵天線(xiàn)由雙錐底部均勻拉出，經(jīng)負(fù)載接地，參數(shù)d為地面上兩個(gè)線(xiàn)柵極板之間的距離；W為單側(cè)極板的寬度；H為雙錐中心距離地面的高度；dc為雙錐錐頂間距；R為錐底半徑。這種模擬器結(jié)構(gòu)可理解為將垂直極化有界波模擬器[8-9]的前過(guò)渡段旋轉(zhuǎn)90°得到，在模擬器內(nèi)部電磁波自上而下傳播，生成水平極化輻射環(huán)境。

圖1 雙錐- 平面線(xiàn)柵水平極化輻射波模擬器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of EMP radiating-wave simulator with biconical-wire grating structure

1.2 雙錐- 平面線(xiàn)柵水平極化輻射波模擬器的模型

設(shè)雙錐天線(xiàn)的特征阻抗為150 Ω，根據(jù)傳輸線(xiàn)阻抗計(jì)算(1)式[10]，當(dāng)傳輸線(xiàn)寬高比為3∶2時(shí)對(duì)應(yīng)的特征阻抗約為149 Ω，滿(mǎn)足阻抗匹配要求。

(1)

式中：Zg為傳輸線(xiàn)的阻抗；h為傳輸線(xiàn)高度；w為傳輸線(xiàn)寬度(m)。

令圓錐半錐角為32°，圓錐底面半徑為1.25 m，雙錐錐頂間距dc=2 cm，雙錐中心距離地面的高度H為10 m，單側(cè)極板寬度取W=48 m，兩個(gè)線(xiàn)柵極板之間的距離d=32 m.每根金屬拉線(xiàn)在距離地面1 m處經(jīng)負(fù)載接地，并保證單側(cè)極板所接負(fù)載的等效阻值為75 Ω.圖2為利用CST三維電磁仿真軟件微波工作室建立的雙錐- 平面線(xiàn)柵天線(xiàn)模型。為使研究問(wèn)題聚焦于天線(xiàn)本身，仿真時(shí)將實(shí)際脈沖源與雙錐天線(xiàn)的設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化為直接在雙錐頂點(diǎn)處通過(guò)離散端口向天線(xiàn)施加激勵(lì)，并采用(2)式的雙指數(shù)脈沖激勵(lì)電壓U(t)生成符合文獻(xiàn)[11]標(biāo)準(zhǔn)的電場(chǎng)波形。

圖2 模擬器的仿真模型Fig.2 Simulation model of simulator

U(t)=kVmax(e-αt-e-βt)，

(2)

式中：t為時(shí)間；k是補(bǔ)償系數(shù)；Vmax為脈沖源輸出電壓的峰值；α和β是決定脈沖上升時(shí)間和半寬的參數(shù)。當(dāng)Vmax=50 kV，α=4.0×107s-1，β=6.0×108s-1，k=1.3時(shí)，激勵(lì)的上升沿約為2.5 ns(10%～90%)，脈沖半高寬約為23 ns，并且在約4.8 ns時(shí)脈沖達(dá)到峰值?？梢怨烙?jì)，上述激勵(lì)脈沖主要能量集中在頻率150 MHz之內(nèi)。

仿真邊界條件為“Open(add space)”。為提高仿真效率，依據(jù)雙錐- 平面線(xiàn)柵天線(xiàn)的幾何對(duì)稱(chēng)關(guān)系和輻射場(chǎng)的對(duì)稱(chēng)關(guān)系將Oxz平面設(shè)為磁壁，Oyz平面設(shè)為電磁。仿真頻率范圍取0～200 MHz，按照每個(gè)波長(zhǎng)20個(gè)網(wǎng)格進(jìn)行網(wǎng)格剖分。

2 線(xiàn)柵疏密程度對(duì)輻射電場(chǎng)波形的影響

2.1 模型有效性驗(yàn)證

在討論線(xiàn)柵天線(xiàn)對(duì)輻射場(chǎng)的影響之前，先對(duì)模型的有效性和仿真結(jié)果的可靠性進(jìn)行驗(yàn)證。令線(xiàn)柵天線(xiàn)單側(cè)極板拉線(xiàn)根數(shù)為192根，金屬拉線(xiàn)半徑為10 mm，單側(cè)極板負(fù)載的等效阻抗為75 Ω，監(jiān)測(cè)雙錐中心正下方距離地面9 m高度上測(cè)點(diǎn)(坐標(biāo)為(0 m,0 m,9 m))的輻射電場(chǎng)波形，結(jié)果如圖3所示。

圖3 測(cè)點(diǎn)(0 m,0 m,9 m)輻射場(chǎng)x軸方向分量Fig.3 x component of radiation field at (0 m, 0 m, 9 m)

由圖3可知測(cè)點(diǎn)輻射波形在大約7.86 ns到達(dá)峰值，而激勵(lì)由脈沖源到達(dá)測(cè)點(diǎn)的時(shí)間約1/0.3=3.33 ns，則該點(diǎn)在大約3.33+4.8=8.13 ns到達(dá)峰值，計(jì)算結(jié)果與圖3中波形峰值時(shí)刻基本一致。另外，依據(jù)天線(xiàn)原理，空間任一位置輻射電場(chǎng)的峰值可以按(3)式理想錐天線(xiàn)的輻射場(chǎng)E(r,t)[12]估算為

(3)

2.2 線(xiàn)柵疏密程度對(duì)輻射電場(chǎng)的影響

為考察線(xiàn)柵疏密程度對(duì)輻射場(chǎng)波形的影響，分別令單側(cè)天線(xiàn)拉線(xiàn)根數(shù)為24根、48根、96根和192根，并保證每側(cè)極板負(fù)載的等效阻抗為75 Ω.仿真過(guò)程中金屬拉線(xiàn)半徑、天線(xiàn)結(jié)構(gòu)參數(shù)等保持不變。在雙錐中心正下方以及天線(xiàn)內(nèi)部偏離雙錐正下方的位置設(shè)置若干測(cè)點(diǎn)，分析線(xiàn)柵疏密程度對(duì)輻射場(chǎng)的影響。圖4給出了雙錐正下方距離地面3 m和5 m兩個(gè)測(cè)點(diǎn)(坐標(biāo)(0 m,0 m,3 m)和坐標(biāo)(0 m,0 m,5 m))，以及偏離雙錐正下方坐標(biāo)為(5 m,0 m,3 m)測(cè)點(diǎn)的輻射場(chǎng)波形。

圖4 不同線(xiàn)柵疏密程度時(shí)3個(gè)測(cè)點(diǎn)的波形Fig.4 Waveforms of radiation field at several observating points for different wire densities

由圖4可知，雙錐正下方測(cè)點(diǎn)輻射場(chǎng)的前沿幾乎不受拉線(xiàn)根數(shù)的影響，在波形下降沿出現(xiàn)一個(gè)較強(qiáng)的負(fù)反射使脈沖寬度變窄，并且對(duì)于不同的拉線(xiàn)根數(shù)，同一測(cè)點(diǎn)上負(fù)反射出現(xiàn)的時(shí)刻是一致的。以測(cè)點(diǎn)(0 m,0 m,5 m)為例，負(fù)反射大約在脈沖峰值后31 ns出現(xiàn)，而由脈沖源到達(dá)該測(cè)點(diǎn)的電磁波經(jīng)地面再反射回測(cè)點(diǎn)的光程差為10 m，對(duì)應(yīng)時(shí)間差33.3 ns，與負(fù)反射作用的時(shí)間基本相符。另外，圖4(a)中測(cè)點(diǎn)(0 m,0 m,3 m)的脈沖寬度明顯小于測(cè)點(diǎn)(0 m,0 m,5 m)，這是因?yàn)闇y(cè)點(diǎn)(0 m,0 m,3 m)處地面對(duì)波形下降沿的作用時(shí)間更靠前。因此可以確定，各測(cè)點(diǎn)的脈寬損失主要是由地面負(fù)反射引起的，并且距離地面越近，半寬損失越嚴(yán)重。

比較圖4(a)和圖4(b)還可以看出，雙錐正下方測(cè)點(diǎn)波形的上升沿和峰值幾乎不受拉線(xiàn)根數(shù)的影響，而測(cè)點(diǎn)(5 m,0 m,3 m)輻射場(chǎng)峰值在拉線(xiàn)根數(shù)不同時(shí)受到不同程度的影響。為定量考察拉線(xiàn)根數(shù)對(duì)各測(cè)點(diǎn)的影響程度，圖5和表1給出了4個(gè)測(cè)點(diǎn)波形的參數(shù)和變化率。

圖5 拉線(xiàn)根數(shù)取24根、48根、96根時(shí)相對(duì)192根時(shí)的峰值變化率Fig.5 Amplitude changing rates when antenna wires are 24, 48 and 96 compared to the amplitude of 192 wires

表1中，隨著線(xiàn)柵逐漸加密，各測(cè)點(diǎn)輻射場(chǎng)X軸方向分量的峰值逐漸增大，前沿逐漸減小。根據(jù)電磁輻射理論，電磁波沿傳輸線(xiàn)傳播時(shí)，當(dāng)波長(zhǎng)與傳輸線(xiàn)之間的距離相比擬時(shí)，將產(chǎn)生電磁輻射?？紤]到電磁脈沖頻率成分比較復(fù)雜，脈沖源輸出的高頻分量對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)較短，會(huì)向外輻射。當(dāng)線(xiàn)柵天線(xiàn)拉線(xiàn)根數(shù)減小，間距變大時(shí)，會(huì)有更多頻率成分的電磁波泄漏出去。輻射電場(chǎng)的上升沿主要由高頻分量決定，高頻分量的泄漏將導(dǎo)致電場(chǎng)波形上升沿變緩，前沿變小。同時(shí)，高頻分量泄漏還會(huì)引起輻射能量的損失，因此輻射場(chǎng)峰值有所降低，而且線(xiàn)柵間距越大，能量損失越多，峰值降低越多。相應(yīng)地，低頻分量對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)較長(zhǎng)，基本不向外輻射，幾乎不受線(xiàn)柵疏密變化的影響。

表1 不同線(xiàn)柵疏密程度時(shí)電場(chǎng)的波形參數(shù)Tab.1 Waveform parameters of electric field fordifferent wire densities

拉線(xiàn)根數(shù)不同時(shí)測(cè)點(diǎn)(0 m,0 m,3 m)和(0 m,0 m,5 m)最大的峰值變化率分別為0.6%和0.3%，考慮求解過(guò)程中的計(jì)算誤差，可以認(rèn)為兩測(cè)點(diǎn)輻射場(chǎng)參數(shù)不受拉線(xiàn)根數(shù)的影響。該結(jié)論對(duì)雙錐正下方其他測(cè)點(diǎn)也成立[6，13]。測(cè)點(diǎn)(5 m,0 m,3 m)和(5 m,2 m,3 m)最大的峰值變化率分別為5.4%和4.5%，前沿變化率分別為11.1%和14.8%.可見(jiàn)，相比雙錐正下方的測(cè)點(diǎn)，天線(xiàn)內(nèi)部其他位置測(cè)點(diǎn)的峰值和前沿受線(xiàn)柵疏密變化的影響更大。這兩種變化趨勢(shì)可以理解為：雙錐正下方測(cè)點(diǎn)上電磁波同相位疊加，受到影響較小，而天線(xiàn)內(nèi)部其他位置電磁波還應(yīng)考慮不同相位疊加的作用，受到的影響較大。

由表1中還可以看出，測(cè)點(diǎn)(5 m,0 m,3 m)處輻射場(chǎng)前沿總體大于測(cè)點(diǎn)(0 m,0 m,3 m)。在激勵(lì)源理想的條件下，前沿變慢主要是由電磁波傳輸過(guò)程中高頻分量的輻射損耗和傳輸損耗引起的，并且傳輸距離越遠(yuǎn)、波形前沿越慢。

從圖5中可以看出，隨著拉線(xiàn)根數(shù)的增加，各測(cè)點(diǎn)相對(duì)根數(shù)為192根時(shí)的峰值變化率隨拉線(xiàn)根數(shù)的增加而減小，意味著增加拉線(xiàn)根數(shù)有利于獲得較高的電場(chǎng)強(qiáng)度，但增加到一定值時(shí)峰值不再出現(xiàn)明顯變化。例如，當(dāng)拉線(xiàn)根數(shù)由96根增加到192根時(shí)，峰值相對(duì)變化均在0.3%以?xún)?nèi)，而由此增加的工程量巨大。綜合峰值、前沿、半寬的變化，并考慮工程建設(shè)的難易程度，可令本文結(jié)構(gòu)雙錐- 平面線(xiàn)柵天線(xiàn)的拉線(xiàn)取48根。

3 線(xiàn)柵粗細(xì)對(duì)電場(chǎng)波形的影響

保持線(xiàn)柵天線(xiàn)拉線(xiàn)根數(shù)為48根，分別令線(xiàn)柵半徑在1～40 mm之間變化取值，天線(xiàn)結(jié)構(gòu)參數(shù)及其他仿真條件不變。表2統(tǒng)計(jì)了波形參數(shù)及其相對(duì)拉線(xiàn)半徑為40 mm時(shí)的變化率，圖6給出了不同線(xiàn)柵粗細(xì)時(shí)2個(gè)測(cè)點(diǎn)的輻射波形。

圖6 不同拉線(xiàn)粗細(xì)時(shí)2個(gè)測(cè)點(diǎn)的波形Fig.6 Waveforms of radiation field at several observatingpoins for different wire width

表2 不同拉線(xiàn)粗細(xì)時(shí)測(cè)點(diǎn)處的輻射波形參數(shù)Tab.2 Parameters of radiation waveforms at measuringpoints for different wire widths

對(duì)于測(cè)點(diǎn)(5 m,0 m,3 m)和(5 m,2 m,3 m)，隨著拉線(xiàn)半徑逐漸增大，各測(cè)點(diǎn)輻射場(chǎng)峰值先增大、再減小，前沿先減小、再增大，即輻射場(chǎng)波形在某一半徑下峰值取得最大值，前沿取得最小值。

在距離地面3 m高的水平面上，測(cè)點(diǎn)(5 m,2 m,3 m)的峰值相對(duì)測(cè)點(diǎn)(0 m,0 m,3 m)最大下降了20.85%(拉線(xiàn)半徑1 mm)、18.94%(拉線(xiàn)半徑5 mm)、18.36%(拉線(xiàn)半徑10 mm)、19.44%(拉線(xiàn)半徑30 mm)和19.96%(拉線(xiàn)半徑40 mm)?？梢?jiàn)，在所設(shè)仿真條件下，拉線(xiàn)半徑取10 mm時(shí)輻射電場(chǎng)均勻性相對(duì)較好。

天線(xiàn)線(xiàn)徑發(fā)生了變化，其阻抗特性也會(huì)發(fā)生變化，這必然會(huì)引起輻射特性的變化。但在圖6中，從總體上看，對(duì)所有測(cè)點(diǎn)，線(xiàn)柵天線(xiàn)拉線(xiàn)半徑幾乎不影響輻射波形的峰值。

對(duì)于雙錐- 平面線(xiàn)柵結(jié)構(gòu)的天線(xiàn)，沒(méi)有精確的解析式可以計(jì)算其特性阻抗，但可以參考平行導(dǎo)線(xiàn)傳輸線(xiàn)特性阻抗的計(jì)算公式進(jìn)行定性分析。平行導(dǎo)線(xiàn)特性阻抗Zp的計(jì)算公式[14]為

(4)

式中：Zp為平行導(dǎo)線(xiàn)的特性阻抗；s為兩導(dǎo)體的中心距；D為導(dǎo)體直徑。

由(4)式可知，經(jīng)過(guò)對(duì)數(shù)運(yùn)算，線(xiàn)徑D對(duì)Zp的影響被大大減弱，加之高頻信號(hào)的趨膚效應(yīng)，電流主要集中在導(dǎo)線(xiàn)外表面的薄層，線(xiàn)徑的影響有限。因此，線(xiàn)徑變化對(duì)輻射場(chǎng)的影響很小。工程應(yīng)用中，相比線(xiàn)柵疏密對(duì)輻射場(chǎng)波形峰值的影響，拉線(xiàn)線(xiàn)徑的影響可以不計(jì)。

4 實(shí)驗(yàn)區(qū)的確定與天線(xiàn)樣機(jī)實(shí)驗(yàn)

依據(jù)美國(guó)軍用標(biāo)準(zhǔn)MIL-STD-461E《分系統(tǒng)和設(shè)備電磁干擾特性的控制要求》進(jìn)行RS105電磁場(chǎng)敏感度實(shí)驗(yàn)時(shí)，通常在平面內(nèi)選擇5個(gè)位置分別校準(zhǔn)場(chǎng)的幅度、脈寬和上升時(shí)間等特性，并認(rèn)為場(chǎng)幅度值變化在0～6 dB之間的區(qū)域?yàn)榫鶆騾^(qū)[15-16]。進(jìn)行效應(yīng)實(shí)驗(yàn)的區(qū)域在滿(mǎn)足場(chǎng)峰值均勻性的基礎(chǔ)上，還要考慮國(guó)際電工委員會(huì)在IEC 61000-2-9標(biāo)準(zhǔn)[17]對(duì)前沿和半寬的要求。本文據(jù)此確定所建雙錐- 平面線(xiàn)柵天線(xiàn)的實(shí)驗(yàn)區(qū)。

表3為天線(xiàn)拉線(xiàn)根數(shù)為48根、拉線(xiàn)半徑為10 mm、架高為9.5 m的雙錐- 平面線(xiàn)柵天線(xiàn)在距離地面4 m高水平面上7個(gè)測(cè)點(diǎn)仿真的場(chǎng)波形參數(shù)，并計(jì)算了各點(diǎn)相對(duì)中心點(diǎn)電場(chǎng)峰值的衰減量。仿真激勵(lì)為(2)式給出的標(biāo)準(zhǔn)雙指數(shù)激勵(lì)。

從表3可以看出，除測(cè)點(diǎn)(8 m, 0 m)外其他測(cè)點(diǎn)的波形參數(shù)均滿(mǎn)足要求。(8 m, 0 m)處峰值和半寬的急劇減小主要是由距測(cè)點(diǎn)較近的線(xiàn)柵極板的反射引起的。綜合表4結(jié)果并考慮輻射場(chǎng)的對(duì)稱(chēng)性，仿真得到的雙錐- 平面線(xiàn)柵天線(xiàn)在距地面4 m高水平面上可用于效應(yīng)實(shí)驗(yàn)的區(qū)域大小為12 m×12 m.

表3 距地面4 m水平面上7個(gè)測(cè)點(diǎn)的波形參數(shù)Tab.3 Waveform parameters at 7 measuring points at 4 m from the ground

為了進(jìn)一步驗(yàn)證輻射場(chǎng)的分布規(guī)律，搭建了雙錐- 平面線(xiàn)柵天線(xiàn)樣機(jī)系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要包括脈沖電壓源、雙錐- 平面線(xiàn)柵天線(xiàn)、電路氣路控制系統(tǒng)、電場(chǎng)傳感器、信號(hào)采集系統(tǒng)和主控計(jì)算機(jī)6部分。控制系統(tǒng)和信號(hào)采集系統(tǒng)置于屏蔽間內(nèi)，通過(guò)光纖實(shí)現(xiàn)信號(hào)傳輸。電場(chǎng)傳感器采用瑞士Montena公司生產(chǎn)的SFE1G型Free-field D-dot場(chǎng)傳感器。

依據(jù)第2節(jié)、第3節(jié)的結(jié)論，并兼顧天線(xiàn)架設(shè)的便宜性，取單側(cè)極板拉線(xiàn)根數(shù)為48根，金屬線(xiàn)直徑為2 mm，用吊車(chē)將天線(xiàn)吊至距地面9.5 m的高度，并保證吊車(chē)臂等金屬結(jié)構(gòu)距離天線(xiàn)足夠遠(yuǎn)。其他參數(shù)設(shè)置與1.2節(jié)相同。通過(guò)電容直接放電的方式給天線(xiàn)饋入雙指數(shù)激勵(lì)，充電電壓設(shè)為1 250 V，并令前沿和半寬滿(mǎn)足E1標(biāo)準(zhǔn)波形的要求。需要說(shuō)明的是，實(shí)驗(yàn)的激勵(lì)幅值雖然低于標(biāo)準(zhǔn)E1波形的幅值，但并不影響場(chǎng)分布規(guī)律和工作空間的確定。

在極化方向、垂直極化方向和45°方向上每間隔2 m設(shè)置測(cè)點(diǎn)，每個(gè)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行多次測(cè)量，并選擇10次有效測(cè)量的平均值作為最終的結(jié)果。為了監(jiān)測(cè)激勵(lì)的狀態(tài)，每次測(cè)量同時(shí)使用兩個(gè)電場(chǎng)傳感器，一個(gè)置于雙錐正下方作為參考，另一個(gè)放在相應(yīng)測(cè)點(diǎn)上。表4給出了樣機(jī)實(shí)驗(yàn)中距地面4 m高水平面內(nèi)7個(gè)測(cè)點(diǎn)的輻射場(chǎng)波形參數(shù)。

表4 樣機(jī)實(shí)驗(yàn)中距地面4 m高水平面上7個(gè)測(cè)點(diǎn)的波形參數(shù)Tab.4 Waveform parameters at 4m from the ground in the prototype experiment

表4中，x軸方向上輻射場(chǎng)受線(xiàn)柵極板的反射影響較大：當(dāng)x=6 m時(shí)峰值衰減量已經(jīng)達(dá)到5.80 dB；當(dāng)X=8 m時(shí)，測(cè)點(diǎn)距一側(cè)極板僅2.4 m左右，實(shí)際波形參數(shù)已無(wú)法讀取。測(cè)點(diǎn)(8 m, 8 m)處峰值衰減量接近6 dB.因此，天線(xiàn)樣機(jī)實(shí)驗(yàn)確定的輻射場(chǎng)參數(shù)指標(biāo)均滿(mǎn)足效應(yīng)實(shí)驗(yàn)要求的區(qū)域大小為12 m(長(zhǎng))×16 m(寬)。

比較表3和表4可知，模擬仿真與天線(xiàn)樣機(jī)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果稍有差異。比較而言，樣機(jī)實(shí)驗(yàn)中X軸方向輻射場(chǎng)受線(xiàn)柵極板的影響相對(duì)較大，Y軸方向輻射場(chǎng)受到的影響相對(duì)較小。造成上述差異的原因主要有：仿真分析中將大地和金屬天線(xiàn)均視為理想導(dǎo)體，而且實(shí)際樣機(jī)實(shí)驗(yàn)還存在周?chē)h(huán)境等的影響。但總體上看，樣機(jī)實(shí)驗(yàn)得到的實(shí)驗(yàn)區(qū)大小與仿真結(jié)果基本一致，只在Y軸方向稍大于仿真結(jié)果。天線(xiàn)樣機(jī)實(shí)驗(yàn)證明了仿真結(jié)果的有效性。

5 結(jié)論

本文通過(guò)CST電磁仿真建立了新型雙錐- 平面線(xiàn)柵水平極化輻射波天線(xiàn)的模型，重點(diǎn)討論了該型天線(xiàn)輻射特性與線(xiàn)柵疏密程度和線(xiàn)徑的關(guān)系，并進(jìn)行了天線(xiàn)樣機(jī)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。得到以下主要結(jié)論：

1) 雙錐中心正下方測(cè)點(diǎn)基本不受拉線(xiàn)根數(shù)和線(xiàn)徑的影響，并且峰值反比于脈沖源到測(cè)點(diǎn)的距離。

2) 在其他測(cè)點(diǎn)上，線(xiàn)柵疏密程度主要影響雙錐- 平面線(xiàn)柵輻射波天線(xiàn)電場(chǎng)波形的前沿和峰值。隨著線(xiàn)柵加密，極化方向輻射場(chǎng)分量的峰值逐漸增大，前沿逐漸減小。增加拉線(xiàn)密度有利于提高輻射場(chǎng)強(qiáng)，但超過(guò)96根后再加密線(xiàn)柵天線(xiàn)輻射場(chǎng)強(qiáng)的變化率在1%以?xún)?nèi)。實(shí)際應(yīng)用中綜合考慮輻射場(chǎng)和施工難易程度可取拉線(xiàn)根數(shù)為48根。

3) 相比線(xiàn)柵疏密程度，拉線(xiàn)半徑對(duì)測(cè)點(diǎn)的影響很小，在工程上可以忽略不計(jì)。

4) 本文設(shè)計(jì)的雙錐- 平面線(xiàn)柵天線(xiàn)在距離地面4 m的水平面上實(shí)驗(yàn)區(qū)的范圍為12 m(長(zhǎng))×16 m(寬)。