CN101026264A - 喇叭馈源 - Google Patents

Abstract

喇叭馈源，主要涉及电磁场与电磁波技术，本发明包括输出窗和馈源段，所述馈源段轮廓母线的定形点为对称正弦函数曲线分布。本发明的有益效果是，保证了低旁瓣、相位中心一致、辐射场轴对称等性能，又满足高功率容量要求的喇叭馈源，并且结构简单、便于加工制造及批量生产、成本低廉，适合在高功率微波偏置抛物面天线发射系统中作为初级辐射器使用。

Description

喇叭馈源

技术领域

本发明涉及电磁场与电磁波技术，特别涉及高功率微波领域中的偏置抛物面天线用高效率喇叭馈源。

背景技术

在广泛应用的反射镜天线系统中，要求馈源具有主瓣轴对称、相位中心一致、低旁瓣、良好的线极化辐射等特性。口面上呈高斯分布的喇叭可以达到这一要求。要得到高斯波束，目前国际上一般采用波纹喇叭或介质填充喇叭结构，其频带宽度和辐射特性都有较好的指标。但在高功率工作情况下，波纹间隙与介质表面不可避免的出现强电场击穿现象，无法保障有效的功率传输和器件长寿命使用的要求。

另一方面，在高功率微波(HPM)发射系统中，由于微波源以及其中的传输系统均工作在真空的状态，相对于自由空间能够承受更大的功率，所以高功率击穿易发生在天线罩的外部。当HPM从天线或馈源射入大气时，局部电场将电子能量加速到足以使气体碰撞电离时就产生击穿，击穿的结果是产生高温，同时，形成对电磁波反射、吸收的电离区，这样一方面容易造成天线输出窗的损坏，另一方面也大大的降低了定向辐射的效率。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种喇叭馈源，能够解决现有技术的不足，满足高功率容量要求。

本发明解决所述技术问题采用的技术方案是，喇叭馈源，包括输出窗和馈源段，馈源段轮廓母线的定形点为对称正弦函数曲线分布。

本发明所述的定形点是指决定轮廓母线形状的点，或者说，各个定形点沿某种特定的路径连接后即为轮廓母线。例如，构成光滑曲线的各点；或者折线的折点，直线连接各个折点即确定了折线的位置和形状。

轮廓母线由多段折线构成，折点为对称正弦函数曲线分布。所述对称正弦函数为下式：

$a\left(z\right)=a_i+\frac{2(a_o-a_i)}{1+\mathrm{\γ}}{\sin }^2\left(\frac{\mathrm{\πz}}{4L_1}\right),0\≤z\≤L_1$

$a\left(z\right)=a_i+\frac{2(a_o-a_i)}{1+\mathrm{\γ}}[\mathrm{\γ}{\sin }^2\left(\frac{\mathrm{\π}(z+L_2-L_1)}{4L_2}\right)+\frac{1-\mathrm{\γ}}{2}{]L}_1\≤z\≤L$

其中

L＝L₁+L₂， $\mathrm{\γ}=\frac{L_2}{L_1}.$

进一步的说，馈源段由多个喇叭段连接构成。更进一步的，馈源段由多个变张角的喇叭段构成。相邻喇叭段由法兰连接。

或者，馈源段的母线为光滑的曲线。

或者，本发明的喇叭馈源，馈源段母线为多段折线。

本发明的输出窗由聚四氟乙烯材料的球面结构构成，整个系统在真空下工作。

本发明的有益效果是，保证了低旁瓣、相位中心一致、辐射场轴对称等性能，又满足高功率容量要求的喇叭馈源，并且结构简单、便于加工制造及批量生产、成本低廉，适合在高功率微波偏置抛物面天线发射系统中作为初级辐射器使用。

本发明突破了传统多模喇叭的波纹或介质加载结构，利用多段光滑张角喇叭实现模式控制，在保证辐射轴对称、低旁瓣等性能要求的前提下，大大地提高了系统内部的功率容量，功率容量大于1.5GW；同时通过合理的张角配置和大辐射口径结构有效的降低了喇叭馈源口面的最大电场强度，进而提高了整个系统的功率容量。

以下结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明。

附图说明

图1是本发明的对称正弦函数曲线示意图。图1还表示了符合函数曲线分布的折点连接成的折线。

图2是本发明的实施例的示意图。

图3是本发明的实施例2的轮廓母线示意图。

具体实施方式

第一种实施方式是，本发明的轮廓母线为对称正弦函数曲线。所述对称正弦函数为下式：

$a\left(z\right)=a_i+\frac{2(a_o-a_i)}{1+\mathrm{\γ}}{\sin }^2\left(\frac{\mathrm{\πz}}{4L_1}\right),0\≤z\≤L_1$

$a\left(z\right)=a_i+\frac{2(a_o-a_i)}{1+\mathrm{\γ}}[\mathrm{\γ}{\sin }^2\left(\frac{\mathrm{\π}(z+L_2-L_1)}{4L_2}\right)+\frac{1-\mathrm{\γ}}{2}],L_1\≤z\≤L$

其中

L＝L₁+L₂， $\mathrm{\γ}=\frac{L_2}{L_1}.$

函数曲线见图1。

第二种实施方式是，本发明的轮廓母线由多段折线构成，折点为对称正弦函数曲线分布。

本发明简要工作原理如下：线极化的主模TE11模信号由喇叭1的入口端输入，在光滑变张角的结构中激励起高次模，继而在喇叭口面上形成准高斯分布，通过喇叭2的输出端经输出窗3辐射到自由空间。变张角结构的尺寸决定着系统内部模式的耦合规律，进而影响喇叭口面的电场分布情况，从而决定着整个系统的辐射特性和功率容量。

实施例1：参见图2。

本发明首先通过喇叭口面场分析，掌握最大电场强度与口面半径与分布特性的变化关系，从而确定满足口面功率容量的尺寸，继而利用光壁变张角结构作为喇叭馈源的模式控制段，极大的提高了喇叭内部的功率容量，通过对大量结构模型的计算，利用遗传算法优化的方法得到最终的几何尺寸和结构参数，使光壁喇叭内的传输模式在口面上形成准高斯分布，产生轴对称的辐射波束，同时满足了口面功率容量的要求。计算结果表明，以一定参数的对称正弦函数曲线函数为轮廓母线的喇叭能够满足要求，考虑到加工工艺上的便利，修正其母线为三段折线结构，折点位于对称正弦函数曲线上。通过实验选择，在适用于X波段的具体参数为，初始入口半径25mm，第一段折线在横坐标轴的投影长度140mm，出口半径42.35mm；第二段折线投影长160mm，出口半径103.5mm；第三段折线投影长300mm，出口半径200mm。以图1中的折线作为示意图，仅仅表示折线的构成，不体现具体参数。

在馈源段设计完成后，以口面场分布为基础计算喇叭近场区电场强度的分布情况，选择电场强度低于空气击穿电平的位置为输出窗的外沿所在，从而进一步提高整个系统的功率容量。为了尽量减小对喇叭辐射特性的影响，要求电磁波入射角为90度，同时输出窗的介电常数低。选择聚四氟乙烯为输出窗材料，输出窗厚度为33.4mm，输出窗内外表面轮廓为同心球面，半径分别为850mm、883.4mm，球心位于喇叭轴线上，距离口面中心683.4mm。

通过适当的控制其对反射面天线边缘的照射电平，保证了天线具有高增益和低旁瓣特性。

实施例2：

本实施例利用多段变张角的光壁喇叭1、2通过真空密封法兰5进行连接，完成波导模式的有效控制。继而通过真空密封法兰4把馈源段与输出窗3对接，保证整个系统处于真空工作状态。

本实施例的馈源段的母线为4条折线，即，各喇叭段的母线在连接点处形成的角度不等于180度，称为“多段变张角”。轮廓母线示意图见图3中的折线。

实施例3：

本实施例与实施例1的区别在于，本实施例的各喇叭段的母线形成一条光滑的曲线。

上述各实施例采用法兰连接，基于本发明的思路，采用其他连接方式，亦属于本发明的权利范围。

Claims (8)

1、喇叭馈源，包括输出窗(3)和馈源段，其特征在于，馈源段轮廓母线的定形点为对称正弦函数曲线分布。

2、如权利要求1所述的喇叭馈源，其特征在于，轮廓母线由多段折线构成，折点为对称正弦函数曲线分布。

3、如权利要求1或2所述的喇叭馈源，其特征在于，所述对称正弦函数为：

$a\left(z\right)=a_i+\frac{2(a_o-a_i)}{1+\mathrm{\γ}}{\sin }^2\left(\frac{\mathrm{\πz}}{4L_1}\right),0\≤z\≤L_1$

$a\left(z\right)=a_i+\frac{2(a_o-a_i)}{1+\mathrm{\γ}}[\mathrm{\γ}{\sin }^2\left(\frac{\mathrm{\π}(z+L_2-L_1)}{4L_2}\right)+\frac{1-\mathrm{\γ}}{2}],L_1\≤z\≤L$

其中

L＝L₁+L₂， $\mathrm{\γ}=\frac{L_2}{L_1}.$

4、如权利要求1所述的喇叭馈源，其特征在于，馈源段由多个喇叭段连接构成。

5.如权利要求1所述的喇叭馈源，其特征在于，所述馈源段由多个变张角的喇叭段构成。

6、如权利要求5所述的喇叭馈源，其特征在于，相邻喇叭段由法兰(5)连接。

7、如权利要求1所述的喇叭馈源，其特征在于，所述馈源段的母线为光滑的曲线。

8、如权利要求2所述的喇叭馈源，其特征在于，馈源段母线为三段折线结构，具体参数为：初始入口半径25mm，第一段折线投影长140mm，出口半径42.35mm，第二段折线投影长160mm，出口半径103.5mm，第三段折线投影长300mm，出口半径200mm。

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