CN103414028B - 一种高功率微波谐振腔天线 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种高功率微波谐振腔天线。该天线包括同轴馈电部分和方形谐振腔天线部分，两部分均由金属构成，不包含介质。其中谐振腔部分又分为三部分，分别为：开有9条C形缝隙的上盖板1、金属围栏2和下盖板3。同轴馈电部分又分为内导体4和外导体5。通过工作在TEM模的同轴激励方形谐振腔，使得在谐振腔中激励起TE303模式，能量通过上层盖板上的C形缝隙辐射出去，形成轴向辐射。仿真结果表明，本发明天线真空中功率容量大于4GW，轴向增益13.4dBi。本发明的优点在于：结构简单、剖面低、易设计、功率容量高。

Description

一种高功率微波谐振腔天线
技术领域
本发明涉及一种结构简单，轴向辐射的高功率微波谐振腔天线，可用作高功率系统的辐射天线。
背景技术
高功率微波天线技术是在传统微波天线技术的基础上，为了满足高功率微波系统的独特需求而逐渐发展起来的一种特殊的微波天线技术。高功率天线是高功率系统的重要组成部分，它是将高功率源产生的电磁能量定向辐射到自由空间的器件。高功率天线性能直接会影响到系统的性能。
多数高功率源输出的微波模式是圆波导的TM01模或者同轴波导的TEM模，而这些模式是呈轴对称分布，如果将这两种模式直接激励传统天线，将出现轴向辐射为零、增益低、旁瓣高等问题，无法将能量有效的集中到目标上。因此，常见的高功率微波天线，首先通过模式转换器将旋转轴对称的模式转换成可实现轴向辐射的模式，例如圆波导的TE11模式，然后再在转换器末端加辐射天线将能量辐射出去。虽然模式转换器的引入，可实现轴向辐射，但是它带来的缺点却有很多，包括：增加天线长度，一般为数个波长；引入插损，降低天线增益和辐射效率；增加设计和加工难度；模式转换器的功率容量也必须考虑在内。
发明内容
本发明的目的在于提供了一种高功率微波谐振腔天线。它可以在不需要模式转换器的情况下实现轴向辐射，并且可以承受高功率。因此，与传统高功率天线相比，其纵向尺寸大为减少。
本发明高功率微波谐振腔天线包括同轴馈电部分和方形谐振腔部分。通过直接将同轴TEM模馈入谐振腔，在谐振腔里激励起TE303模式，并且通过在谐振腔上盖板上合理的开缝，实现轴向辐射。
谐振腔中TE303模式对应的电场分布有3×3个波腹，每个相邻波腹处电场相位反相。为了使能量有效的辐射出去，谐振腔上盖板上缝隙应开在电场波腹附近的位置。为了使各缝隙同相激励，缝隙应交错分布。另外在每条缝隙的窄边分别朝同侧延伸出一段枝节，使得缝隙的形状变为C形。C形缝隙相对于矩形缝隙有更高的功率容量。通过调节内导体伸入腔内的高度和每条缝隙的尺寸可使得反射系数、功率容量和增益值达到最佳。
本发明有助于提高功率容量的设计包括：1、TE303模式使得能量均匀分布，不会集中在某处。2、结构全部由金属构成，不包含介质。3、谐振腔上层盖板开有C形缝隙，相对于矩形缝隙有更高的功率容量。
本发明的高功率微波谐振腔天线与传统的采用模式转换其的高功率天线相比有以下优点：
(1)、本发明馈电部分不需要模式转换器，减小了天线的纵向尺寸，提高了天线辐射效率。
(2)、本发明天线部分采用谐振腔结构，其纵向尺寸小于二分之波长，这样可以使天线尺寸进一步减少。
(3)、本发明结构简单、易设计、易加工、功率容量高。
附图说明
图1是本发明的立体示意图。
图2是本发明的分解示意图。
图3是本发明的上层盖板结构图。
图4是矩形谐振腔中TE303电场分布图。
图5是本发明反射系数随频率变化图。
图6是本发明在中心频率的方向图。
具体实施方式
如图1和图2所示，一种L波段高功率微波谐振腔天线，包括谐振腔部分和同轴馈电部分。谐振腔由开有9条C形缝隙的上层盖板1、金属围栏2和下层盖板3组成。同轴馈电部分由内导体4和外导体5构成。
本发明高功率微波谐振腔天线各部分均有金属构成，不包含介质。上层盖板与下层盖板之间距离h 1为70mm(0.37λ 0)，其中λ 0为中心频率真空中波长。内导体伸入腔内高度h 2为30mm。如图3为谐振腔上盖板结构图。方形谐振腔边长w为420mm(2.2λ 0)。9条缝隙当中，1-1和1-7尺寸相同，1-2和1-8尺寸相同，1-3、1-4和1-9尺寸相同。缝隙尺寸如下：w 1=43mm，w 2=40mm，w 3=25mm，w 4=25mm，w 5=30mm，l 1=140mm，l 2=120mm，l 3=100mm，cw=10mm，cl=15mm。将上盖板中心作为坐标原点，每个缝隙靠近枝节一边的宽边中心坐标也在图3中给出。
如图4为矩形谐振腔中TE303模式电场分布图。从图中可以看出，谐振腔中电场均匀分布到9个区域，不会集中在某处，这有益于提高天线功率容量。
图5为本发明反射系数随频率变化曲线，S11<-10dB带宽为3.1%(1.546GHz-1.594GHz)。图6为中心频率方向图，可以看到方向图最大增益在轴向，最大增益13.4dBi。仿真中发现本发明谐振腔天线电场最大场强处为782V/m，由已知的真空中击穿电压为50MV/m推算可知，本发明高功率谐振腔天线功率容量大于4GW。

Claims (2)

1.一种高功率微波谐振腔天线，包括方形谐振腔部分和同轴馈电部分，其特征在于：谐振腔部分包括开有9条缝隙的上层盖板（1）、金属围栏（2）和下层盖板（3）组成，上层盖板居上，金属围栏居中，下层盖板居下，三者相互连接构成一个腔体，同轴馈电部分包括内导体（4）和外导体（5），外导体与下层盖板相连，内导体部分伸入腔体；谐振腔上层与下层盖板之间距离小于二分之工作波长；上层盖板上开有的9条缝隙形状为C形，并且9条缝隙交错排布在上层盖板上；通过同轴的TEM模直接给谐振腔馈电，在谐振腔内激励起TE303谐振模式，通过在上层盖板上的缝隙，形成轴向辐射。
2.根据权利要求1所述的高功率微波谐振腔天线，其特征在于：上述的谐振腔部分和同轴馈电部分全部由金属构成。
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