CN103151620A - 高功率微波径向线缝隙阵列天线 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高频段的高功率微波径向线缝隙阵列天线。该天线包括同轴输入波导、径向线漏波波导和天线罩，其中，同轴输入波导的输出端口接径向线漏波波导的输入端口，径向线漏波波导的输出端口由天线罩密封。微波以TEM（transverse electronic and magnetic mode）模式由同轴过模波导输入，经双层径向线波导折叠转换，在波导上层实现微波径向内馈。天线口面螺旋排列的缝隙单元阵列切割径向电场，实现远场同相叠加的圆极化辐射，整体轴向尺寸小，结构紧凑。由于径向线慢波结构的作用，减小了径向线波导波长，抑制了缝隙阵列栅瓣的产生。因宽缝缝隙阵列激励起的高阶反射模则由下层波导中的反射抵消螺旋槽抑制，整体天线有较高的辐射效率。而缝隙单元结构的改进与天线罩的真空密封，使得整个辐射系统有较高的功率容量，可以满足高功率微波领域中的应用需求。

Description

高功率微波径向线缝隙阵列天线

技术领域

本发明涉及高功率微波技术领域的一种辐射天线，尤其是一种工作在高频段的高功率微波径向线缝隙阵列天线。

背景技术

近年来，高功率微波（根据Benford和Swegle的约定，高功率微波指峰值功率大于100MW、频率在1~100GHz之间的电磁波）在众多领域中的诱人前景引起了许多国家的广泛关注和大量研究投入，并已取得极大的技术进步。目前，已经提出的高功率微波应用多种多样：高功率微波定向能武器、卫星和空间平台供能、小型深空探测器的发射、轨道飞行器高度改变推进系统等。迄今为止，高功率微波源的研究成果主要集中在L、S、C、X等波段，而发展更高频率的高功率微波设备将是高功率微波研究领域的下一重点之一。结合高功率微波系统向高频发展的趋势，研制Ku波段等高频紧凑型的高功率微波辐射天线显得愈发迫切。

由于商业应用的推动，现有的Ku波段辐射天线研究成果主要集中在通信等低功率微波领域，以微带阵列天线和缝隙阵列天线两种形式为主。其中，微带阵列天线难以获得高增益和宽工作频带；并且无论是天线结构还是馈电结构，微带阵列天线工作在毫米波或更高频率的系统中时产生的损耗比较大。缝隙阵列天线具有主瓣宽度较窄、方向图可以赋形、交叉极化电平较低和损耗低的特点；并且，这种天线加工简单、结构紧凑、精度高、成本低、增益高且口径分布容易控制，在雷达方案中获得了广泛应用；但此类天线由于未对功率容量进行专门设计，还不适宜直接应用到高功率微波领域。

在现有的缝隙阵列天线中，具有代表性的是日本学者研制的Ku波段径向线缝隙阵列天线【M. Ando, K.Sakurai, N.Goto, K.Arimura,and Y.Ito. A radial line slot antennas for 12 GHzband satellite TV reception. IEEE Trans. Antennas Propagat, Vol. AP-33, pp. 1347-1353, Dec. 1985.】。该天线有双层径向线结构和单层径向线结构两种形式，为降低缝隙耦合结构处场强，便于高功率容量设计，着重采用双层径向线内馈形式的结构。虽然这款天线已获得应用，但在高功率微波领域应用中仍存在以下问题：1. 径向线慢波结构中含有介质层，造成三结合点，易发生击穿；2. 缝隙处场增强大，限制功率容量；3. 小口径单模输入，不容易满足功率容量要求。针对这些技术难点，设计高功率的Ku波段径向线缝隙阵列天线需要：1. 设计新型径向线慢波传输波导，去除介质层；2. 在保证原有缝隙单元良好辐射特性的基础上，对局部尖锐结构做出改进设计；3. 改进输入口设计，同时克服由于输入口增大带来的高阶模反射问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有高功率微波天线紧凑化程度不高，体积重量不能满足某些武器应用的不足，提供一种结构紧凑、具有高功率容量的新型径向线缝隙阵列天线。

本发明的技术方案是：

本发明高功率微波径向线缝隙阵列天线包括同轴输入波导、径向线漏波波导和天线罩，其中，同轴输入波导的输出端口接径向线漏波波导的输入端口，径向线漏波波导的输出端口由天线罩密封。

所述同轴输入波导包括输入内导体、输出内导体、同轴支撑杆和外导体，所述径向线漏波波导包括漏波波导底板、轴线支撑杆、径向线慢波结构和缝隙阵列口面，轴线支撑杆与同轴输入波导的输入内导体相连，固定径向线漏波波导于中心轴线上；漏波波导底板外沿处附近，刻有反射抵消螺旋凹槽；径向线慢波结构呈同心圆环波纹状，边缘结构倒圆角，中心处由轴线支撑杆穿过；缝隙阵列口面由边缘倒圆角的“胶囊型”缝隙单元所设计的螺旋线路径排列构成，缝隙阵列口面的外半径与漏波波导底板输出口的内半径配合，卡入漏波波导底板，中心处由轴线支撑杆穿过，并由轴线支撑杆的腰部台阶将缝隙阵列口面与径向线慢波结构隔开。

所述天线罩包括头罩和中心支撑杆，中心支撑杆连接径向线漏波波导的轴线支撑杆，固定缝隙阵列口面，同时支撑天线头罩；缝隙阵列口面卡入天线头罩，漏波波导底板外沿与天线头罩外沿为法兰结构，加入密封圈后固定。

特别地，所述高功率微波径向线缝隙阵列天线还满足以下条件：

所述径向线慢波结构：径向线漏波波导的高度H，慢波结构的周期p，慢波叶片宽度d，深度h等参数，都需要根据具体要求的慢波系数与功率容量进行选择， H、p和h的值越大，功率容量越高。其应满足0.2λ₀ < H < 0.5λ₀，0.5λ₀ < λ_g = p < λ₀，0.2λ_g< h< 0.5λ_g，0.1λ_g < d< 0.5λ_g，参数过小会造成波纹间电场集中，过大则会影响缝隙的耦合作用。具体应用时实际应用时要根据具体工作条件进行选择，它能够承受的功率容量值采用电磁仿真软件（如CST）仿真得到。

所述辐射单元的结构，缝隙结构为边缘倒圆角的胶囊型宽缝，圆角半径R，逢宽W，逢长L。W过小会造成缝间电场集中，间距过大则会破坏辐射单元的圆极化辐射方向图特性；R适当增大可以显著降低边缘处场强，但R过大也会破坏辐射单元的圆极化辐射方向图特性。其应满足0.3λ₀ < L < 0.5λ₀，0.125λ₀ < W < 0.25λ₀，0.5mm <R< 3mm，参数过小会造成缝隙间电场集中，过大则会影响辐射特性。具体应用时，W、L和R由电磁仿真软件优化设计。

所述反射抵消螺旋凹槽的结构，螺旋槽的径向间距等于自由空间波长，槽宽a和槽深b在保证高功率容量条件下，控制反射波幅值大小；螺旋槽半径r则控制反射波相位。优化的目标为：整体辐射系统传输时具有尽量小的反射系数（< –20dB）。螺旋槽曲线方程如下：

$\left\{\begin{array}{c}x=({\mathrm{\&lambda;}}_{0}t/2\mathrm{\&pi;}+r)\sin \left(t\right)\\ y=({\mathrm{\&lambda;}}_{0}t/2\mathrm{\&pi;}+r)\cos \left(t\right)\end{array}\right.t=[-2\mathrm{\&pi;},2\mathrm{\&pi;}]$

作为本发明的进一步改进，本发明提供的高功率微波径向线缝隙阵列天线还包括TM₀₁至TEM的模式转换器。该模式转换器包括渐变段波导、输出圆波导和锥形圆台。

本发明的有益效果为：微波以TEM（transverse electronic andmagnetic mode）模式由同轴过模波导输入，经双层径向线波导折叠转换，在波导上层实现微波径向内馈。天线口面螺旋排列的缝隙单元阵列切割径向电场，实现远场同相叠加的圆极化辐射，本发明的整体轴向尺寸小，结构紧凑。由于径向线慢波结构的作用，减小了径向线波导波长，抑制了缝隙阵列栅瓣的产生。因宽缝缝隙阵列激励起的高阶反射模则由下层波导中的反射抵消螺旋槽抑制，整体天线有较高的辐射效率。而缝隙单元结构的改进与天线罩的真空密封，使得整个辐射系统有较高的功率容量，可以满足高功率微波领域中的应用需求。

与现有技术相比，本发明反射小，辐射效率高，功率容量大幅提升，可以应用于高频段的高功率微波辐射系统中。

附图说明

图1为本发明具体实施例一提供的高功率微波缝隙阵列天线的结构原理图；

图2—图4为径向线漏波波导示意图；

图5—图6为缝隙单元结构示意图；

图7—图8为反射抵消螺旋槽结构示意图；

图9为本发明具体实施例二提供的高功率微波缝隙阵列天线的结构原理图。

具体实施方式

实施方式例一：

本发明高功率微波径向线缝隙阵列天线包括同轴输入波导、径向线漏波波导和天线罩。同轴输入波导的输出端口接径向线漏波波导的输入端口，径向线漏波波导的输出端口由天线罩密封。同轴输入波导由输入内导体1、外导体2、同轴支撑杆3和输出内导体4构成，输入内导体1与输出内导体4螺纹连接，并卡住同轴支撑杆3。径向线漏波波导由轴线支撑杆5、漏波波导底板6、径向线慢波结构7和缝隙阵列口面8构成。轴线支撑杆5与同轴输入波导的输出内导体4螺纹连接，固定径向线漏波波导于中心轴线上；漏波波导底板6外沿处附近，刻有反射抵消螺旋凹槽；径向线慢波结构7呈同心圆环波纹状，边缘结构倒圆角，中心处由轴线支撑杆5穿过；缝隙阵列口面8由边缘倒圆角的“胶囊型”缝隙单元经所设计的螺旋线路径排列构成，缝隙阵列口面8的外半径与漏波波导底板6输出口的内半径配合，卡入漏波波导底板6，中心处由轴线支撑杆5穿过，并由轴线支撑杆5的腰部台阶将缝隙阵列口面8与径向线慢波结构7隔开。天线罩由中心支撑杆9和头罩10构成，中心支撑杆9连接径向线漏波波导的轴线支撑杆5，固定缝隙阵列口面8，同时支撑天线头罩10；缝隙阵列口面8卡入天线头罩10，漏波波导底板6外沿与天线头罩10外沿为法兰结构，加入密封圈后固定。

如图2中径向线漏波波导所示，新型径向线慢波结构7呈同心圆环波纹状，由输出内导体4、轴线支撑杆5固定，边缘均采用倒圆角结构。

如图5所示，新型缝隙辐射单元采用边缘倒圆角的“胶囊型”结构，在保证了缝隙单元作为具有良好方向图特性的圆极化辐射单元的条件下，消除了局部场增强结构，大幅提升缝隙单元功率容量。

如图4所示，高阶模反射抵消设计采用等距螺旋反射槽结构，其刻于径向线漏波波导中漏波波导底板6外沿附近，尽可能增加系统带宽，提高辐射效率。边缘均采用倒圆角结构。

实施方式例二：

如图5所示，针对输出模式为TM₀₁（transverse magnetic 01 mode）模的过模高功率微波源，由于所设计的高功率微波天线为同轴输入端口，为实现口径匹配，需在微波源与天线增加一段TM₀₁至TEM的模式转换器。该模式转换器由高阶模抑制段11和TM₀₁至TEM过渡段组成。TM₀₁至TEM过渡段由外导体2与锥形圆台12构成，锥形圆台12与输出内导体4螺纹连接，并卡住同轴支撑杆3。

国防科技大学设计了中心频率为12GHz（对应微波波长为25mm）的高功率微波径向线缝隙阵列天线，其口径D =400mm，厚度l =100mm。径向线慢波结构周期p =5mm，高度H =4mm，叶片宽度d =2.5mm，深度h =2.9mm。反射抵消螺旋槽宽度a =3mm，深度b =4mm。

整体辐射系统实现口径效率50%以上，轴比小于1.5，中心频点处辐射效率大于99%，系统功率容量大于500MW。

由上述结果可知，本发明这种实施方式具有反射小，功率容量高的特点。

以上，向熟悉本技术领域的人员提供本发明的描述，以使他们易于理解与运用本发明。对于熟悉本技术领域的人员，对这些实施的各种变更是显而易见的，而无需创造性的劳动。因此，本发明并不限定在这里所述的方案，而是与所述的权利要求一致的范围。

Claims (5)

1.高功率微波径向线缝隙阵列天线，包括同轴输入波导、径向线漏波波导和天线罩，其特征在于，同轴输入波导的输出端口接径向线漏波波导的输入端口，径向线漏波波导的输出端口由天线罩密封，

所述同轴输入波导包括输入内导体、输出内导体、同轴支撑杆和外导体，

所述径向线漏波波导包括漏波波导底板、轴线支撑杆、径向线慢波结构和缝隙阵列口面，轴线支撑杆与同轴输入波导的输入内导体相连，固定径向线漏波波导于中心轴线上；漏波波导底板外沿处附近，刻有反射抵消螺旋凹槽；径向线慢波结构呈同心圆环波纹状，边缘结构倒圆角，中心处由轴线支撑杆穿过；缝隙阵列口面由边缘倒圆角的缝隙单元所设计的螺旋线路径排列构成，缝隙阵列口面的外半径与漏波波导底板输出口的内半径配合，卡入漏波波导底板，中心处由轴线支撑杆穿过，并由轴线支撑杆的腰部台阶将缝隙阵列口面与径向线慢波结构隔开，

所述天线罩包括头罩和中心支撑杆，中心支撑杆连接径向线漏波波导的轴线支撑杆，固定缝隙阵列口面，同时支撑天线头罩；缝隙阵列口面卡入天线头罩，漏波波导底板外沿与天线头罩外沿为法兰结构，加入密封圈后固定。

2.根据权利要求1所述的高功率微波径向线缝隙阵列天线，其特征在于，所述径向线慢波结构：径向线漏波波导的高度H，慢波结构的周期p、深度h参数、慢波叶片宽度d、满足0.2λ₀ < H < 0.5λ₀，0.5λ₀ < λ_g = p < λ₀，0.2λ_g < h< 0.5λ_g，0.1λ_g < d< 0.5λ_g。

3.根据权利要求1所述的高功率微波径向线缝隙阵列天线，其特征在于，所述辐射单元的结构，缝隙结构为边缘倒圆角的胶囊型宽缝，圆角半径R，逢宽W，逢长L，满足0.5mm < R< 3mm ， 0.125λ₀ < W< 0.25λ₀，0.3λ₀ < L < 0.5λ₀。

4.根据权利要求1所述的高功率微波径向线缝隙阵列天线，其特征在于，所述反射抵消螺旋凹槽的结构，螺旋槽的径向间距等于自由空间波长，槽宽a和槽深b在保证高功率容量条件下，控制反射波幅值大小；螺旋槽半径r则控制反射波相位，整体辐射系统传输时具有小于 –20dB的反射系数，螺旋槽曲线方程如下：

。

5.根据权利要求1所述的高功率微波径向线缝隙阵列天线，其特征在于，高功率微波径向线缝隙阵列天线包括TM₀₁至TEM的模式转换器，该模式转换器包括渐变段波导、输出圆波导和锥形圆台。

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