圆台–线栅型水平极化电磁脉冲模拟器的仿真分析

Radiation Charateristics Analysis of Frustum-Wire Grid Horizontal Polarizad Antenna

摘要: 以双锥–线栅型水平极化天线为原型，使用不同大小的圆柱体替换双锥的锥尖，设计出圆台–线栅型水平极化天线，并利用CST MWS电磁仿真软件计算了当激励源为双指数波时的两种天线结构的输出波形。将两种天线模型的输出波形分别与高空核电磁脉冲标准波形进行对比，结果显示：圆台–线栅型水平极化天线模型的仿真结果在主要参数上更贴近高空核电磁脉冲标准波形，其中，输出波形的场强峰值提升了2.47%，上升沿(脉冲从峰值的10%到峰值的90%的时间宽度)误差由20.40%减小为0.04%，半高宽误差由8.26%减小为1.46%。

Abstract: A frustum-wire grid horizontally polarized antenna was designed by replacing the coning angle with a cylinder of different length on the basis of a biconical-wire grid horizontally polarized antenna. When the excitation source waveform is double exponential wave, the output waveforms of the two types of antennas are calculated by simulation software of Computer Simulation Technology Microwave Studio (CST MWS). Compared the output electric field waveform of the two structures with the high-altitude nuclear electromagnetic pulse (HEMP) standard waveform, such renovation makes the peak of electric field rising 2.47%, the error in the rise time (the time width of the pulse from 10 percent to 90 percent of the peak) declining from 20.40% to 0.04%, and the error in the Full Width Half Maximum (FWHM) decreasing from 8.26% to 1.46%, which means closer to HEMP standard waveform in terms of main parameters.

1. 引言

水平极化电磁脉冲模拟器能够模拟高空核电磁脉冲(HEMP)辐照环境，可以为各类系统或设备等提供特定的电磁脉冲环境，是电磁脉冲环境模拟与生成技术的重要组成部分 [1] [2] [3] [4] 。2010年，Bailey采用双锥–平面线栅天线替换了双锥–椭圆笼型天线，解决了电流负反射引起的辐射场脉冲宽度偏窄的问题，改善了水平极化电磁脉冲模拟器的输出波形 [5] 。该型天线得到了广泛分析与讨论 [6] [7] [8] ，但不少缺点也较为突出，例如对脉冲源的输出功率要求高，天线制作完成后生成的电磁环境较难改变等。鉴于此，笔者对该型天线进行了改进，设计出圆台–线栅型水平极化天线，使得输出的波形峰值更高，上升沿和半高宽更贴近HEMP标准波形 [9] 。图1为基于CST微波工作室建立的两种天线模型的对比图。

Figure 1. Comparison diagram of biconical-wire grid antenna (left) and frustum-wire grid antenna (right)

图1. 双锥–线栅型天线(左)和圆台–线栅型天线(右)对比示意图

2. 建立模型及参数

Table 1. Main parameters of frustum-wire grid horizontal polarizad antenna model

表1. 圆台–线栅型水平极化天线模型主要参数值

(a) 正视图(b) 俯视图

Figure 2. Schematic diagram of antenna with frustum-wire grating structure

图2. 圆台–线栅型天线结构示意图

Figure 3. Voltage waveform of excitation source

图3. 激励源的波形图

圆台–线栅型水平极化天线模型为对称结构，由圆台、圆柱、传导线栅、插排、地面等构成，如图2所示。圆台内部中空，两端开口，圆台无缝连接圆柱体。单侧传导线栅为10根金属圆柱线栅，一端连接到圆台下底面圆圈，另一端连接到地面排插，由插排接地，插排纵向分布均匀。接地电阻为150 Ω。整个模型(地除外)均采用理想导体材质。模型的其他主要参数值见表1。激励源采用集总电压源，波形为双指数波，输出电压U峰值为250 kV，上升沿为0.9 ns，半高宽为19.5 ns，如图3所示。频率范围设定为0~300 MHz。离散端口处于圆柱体内侧圆面，从圆柱体底面的圆心到另一圆柱体底面的圆心。边界条件：Z_max为open (add space)，其他方向为open。

3. 仿真与分析

为了对电场环境做更好的分析，需要对该模型的电场分别进行波形分析和环境分析。为此，划定模拟器右下方某长方体区域为观测区域，并在长方体8个顶点上设置探针，坐标分别为：P₁ (0, 0, 4000)、P₂ (1000, 0, 4000)、P₃ (1000, −1000, 4000)、P₄ (0, −1000, 4000)、 P₅ (0, 0, 3500)、P₆ (1000, 0, 3500)、P₇ (1000, −1000, 3500)、P₈ (0, −1000, 3500)。规定E_p表示输出电场峰值，t_r表示上升沿，t_w表示半高宽。

3.1. 输出电场的波形分析

如图4所示，P₁~P₈的电场波形均为双指数波，波形走势的一致性较好。由于距离天线的距离不同，各点的电场波形的上升和下降的起点不同。由表2可得，E_p ≥ 50 kV/m，t_r ≤ 3 ns，t_w ≤ 30 ns。E_p的取值范围为50.410 kV/m~90.802 kV/m，P₄最大，P₆最小，该区域电场均匀性 ≤ 6 dB，均匀性较好。t_r最小为0.9698 ns，最大为1.1300 ns，偏差不超过16.5%，且可以通过缩小测试区减小t_r的偏差。将P₁、P₄和P₅作对比，P₁的E_p较大但t_r最大，P₄的E_p最大但t_r最小，P₅的E_p最小但t_r较大。上述表明：上升沿的快慢和峰值的大小没有关系，各点位的电场增长率并不均匀的。t_w最小值为17.707 ns，最大值为18.276 ns，偏差不超过3.2%。可以认为，半高宽与点位位置无关，半高宽数值稳定。因此，输出的电场波形存在如下规律：第一，电场场强的峰值大小与点位位置有关，一般距离模拟器越近，峰值场强越强。第二，上升沿和半高宽的大小与点位位置无关，与峰值也无关，各点位电场增长率并不均匀。第三，当模型结构保持不变时，上升沿和半高宽变化较小，空间内的电场波形的一致性较好，波形走势趋于相同。

Table 2. Main parameters of E-field waveforms at different points

表2. P₁~P₈的电场波形的主要参数值

Figure 4. Comparison diagram of E-field waveforms at different points

图4. P₁~P₈的电场波形对比图

3.2. 输出电场的环境分析

图5为天线激励发出后46 ns时，天线模型在x = 0 mm、y = 0 mm和z = 5000 mm的电场截面图。较大的电场覆盖了天线周边区域，数值均在1 kV∙m⁻¹以上，并且围绕圆台对称中心呈放射状；一般离天线中心越近，颜色越深，电场峰值越大，最高可达100 kV∙m⁻¹。当辐射向外扩展的时候，内部场强逐渐弱化，外部场强逐渐扩张变大。同一高度监测点的电场峰值，激励源附近的要大于远离激励源的。天线周围的要大于远离天线的。并且，天线下方存在的大部分空间的场强差别不大，该空间的电场的均匀性较好。

(a) x = 0的截面图

(b) y = 0的截面图(c) z = 5000 mm截面的俯视图

Figure 5. E-field distribution of frustum-wire grid horizontal polarizad antenna

图5. 圆台–线栅型水平极化天线的电场分布

4. 输出HEMP标准波形的电场

取P (0, 0, 2875)为观测点，由以上总结的规律可得，P点波形的主要参数能够表征该模型输出的电场环境。调整α = 48.8˚，尝试对l取不同的值，得到P点处的输出波形如图6所示，波形的主要参数如表3所示。根据IEC标准 [9] ，HEMP为双指数波，峰值场强至少达到50 kV/m，波形前沿2.5 ns、半高宽23 ns。圆台–线栅型水平极化天线模型(l = 90 mm)的输出电场波形的幅值为55.187 kV/m，上升沿为2.5010 ns，半宽为23.338 ns；双锥–线栅型水平极化天线模型(l = 0 mm)，P点的输出电场波形的幅值为53.950 kV/m，上升沿为3.3010 ns，半宽为24.900 ns。且两种天线模型的输出波形的脉宽和波尾的一致性较好。与HEMP标准波形相对照 [1] ，前者相较于后者，在输出电场波形的峰值上由增大7.90%提升到10.37%，上升沿误差由20.40%缩减到0.04%，半脉宽误差由8.26%缩减到1.46%。试验结果表明：圆台–线栅型水平极化天线的输出电场环境比双锥–线栅型水平极化天线更贴近HEMP标准波形。

Figure 6. E-field waveforms of P point under different conditions

图6. 不同情形下P点的输出电场波形图

Table 3. Main parameters of E-field waveforms with different values of l at P point

表3. l取不同值时的P点的输出电场波形的主要参数值

5. 总结

本文以双锥–线栅型水平极化天线为原型，使用不同大小的圆柱体替换双锥的锥尖，设计出圆台–线栅型水平极化天线，利用CST MWS电磁仿真软件计算了当激励源为双指数波时的两种天线结构的输出波形。仿真结果表明：圆台–线栅型水平极化天线的输出波形比双锥–线栅型水平极化天线的输出波形的幅值更大，输出效率更高，在上升沿、半脉宽等主要参数上更贴近HEMP标准波形。通过变换不同大小的圆柱体就能调整输出波形的主要参数，从而改变天线输出的电场环境，因此，圆台–线栅型水平极化天线模型的构想具有一定的工程应用价值。