CN106058476A - 高功率微波密布缝隙波导天线 - Google Patents

Abstract

本发明涉及高功率微波技术领域，具体涉及一种高功率微波密布缝隙波导天线。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程度不高，不能应用于某些环境的不足，提供一种结构紧凑、功率容量较高且具有组阵前景的高功率微波波导缝隙天线。本发明利用波导缝隙天线单位长度缝隙数目多、每个缝隙分配耦合功率相对较小的特点实现具有较高功率容量，同时利用其缝隙开于宽边，波导窄边可以较小的特点设计出高度较低的天线，满足实际应用。本发明可以解决常规波导缝隙天线中功率容量低、尺寸较大的不足，为项目提供一种有效的技术方案。

Description

高功率微波密布缝隙波导天线

技术领域

本发明涉及一种高功率微波技术领域的天线，尤其是一种结构紧凑且具有高功率容量的一种缝隙波导天线。

背景技术

高功率微波特指峰值功率大于100MW、频率在1～100GHz之间的电磁波，相关学科的快速发展和众多领域的诱人前景使得许多国家广泛关注并进行大量研究。天线作为高功率微波系统的终端，是实现微波有效定向辐射的重要组件。随着高功率微波系统要求越来越高，常规天线已经不能满足高功率微波应用化的需求，结构紧凑、功率容量高、环境适应性强的发射天线成为发展的趋势。

缝隙波导天线因其具有结构简单、组阵方便等优点在常规微波领域获得广泛应用，典型的窄边缝隙波导天线和宽边纵缝波导阵列天线设计可见文献【钟顺时，费桐秋，孙玉林.波导窄边缝隙阵天线设计.西安：西北电讯工程学院学报，1976:165-184】和文献【杨继松，傅君眉.波导缝隙在模拟阵列环境中的有源导纳值计算方法.中国空间科学技术，1996:12-18】等等。但是目前关于缝隙波导天线的研究主要集中在通信、探测等领域，对天线功率容量要求不高，相邻缝隙间距一般固定为波导波长的一半左右，在固定的波导长度上缝隙数目有限。此类天线当应用到高功率微波领域时，单个缝隙的输出功率很高，极易造成击穿，因而无法直接应用于高功率微波领域。因此发明一种功率容量高、结构紧凑的缝隙波导天线，对高功率微波系统的发展具有重要应用价值。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有缝隙波导天线单位长度内缝隙数目少，从而导致的紧凑程度不高、功率容量低等不足，提供一种结构紧凑、功率容量较高(GW级)的高功率微波密布缝隙波导天线。

本发明的技术方案是：

本发明高功率微波密布缝隙波导天线由变截面矩形缝隙波导和薄型吸收负载组成。

所述变截面矩形缝隙波导的主体为矩形金属波导管，该波导管的一端为输入口，另一端为封闭结构，即该波导管的末端通过一块金属挡板进行封闭。变截面矩形缝隙波导的一侧宽边为缝隙阵列口面，缝隙阵列口面的金属壁厚度为t_a，缝隙阵列口面上周期性地开有N个缝隙，N为天线的辐射效率达到95％时的最少缝隙个数，缝隙长度方向与变截面矩形缝隙波导的轴线垂直，缝隙的宽度为w，第n(n＝1,2,3,…,N)个缝隙的长度为l_n，缝隙的两端为圆弧形，圆弧半径为w/2；缝隙上下两个面的边缘倒圆角，倒角半径为R，相邻缝隙的间距为d。第n个缝隙中心所对应的矩形波导截面的宽边长度为a_n，窄边长度b_n，整个波导截面的宽边长度随波导轴线(z轴)的变化关系a(z)及窄边长度随波导轴线(z轴)的变化关系b(z)分别由一系列的a_n和b_n(n＝1,2,3,…,N)通过三次样条曲线插值得到。变截面矩形缝隙波导的输入端截面尺寸为a₀×b₀，其具体值由波导上游所连接器件的尺寸确定。

所述薄型吸收负载为一块由磁性材料羰基铁制成的立方体。该立方体的厚度为h，横截面尺寸与变截面矩形缝隙波导的末端截面尺寸一致。薄型吸收负载安装在变截面矩形缝隙波导的末端，其厚度h沿波导轴线方向，薄型吸收负载与矩形缝隙波导末端金属挡板的间距为p。

上述结构参数所满足的条件和设计步骤如下：

1)确定波导基本参数。变截面矩形缝隙波导的输入端尺寸a₀和b₀根据实际应用需要设计，为了满足TE₁₀模在其中传输，一般满足λ₀/2<a₀<λ₀，b₀<λ₀/2，λ₀为自由空间中的波长；缝隙阵列口面的壁厚t_a根据强度需要和保证功率容量的需要，一般取t_a>2mm。

2)拟合缝隙的等效电阻与其结构参数的关系表达式。选取不同的波导基本参数和缝隙基本参数，用CST Microwave Studio软件建立缝隙等效电阻参数提取模型，多次仿真得到不同缝隙长度l_n、波导宽边长度a_n和波导窄边长度b_n对应的缝隙等效电阻r_n，通过牛顿插值处理拟合得到缝隙的等效电阻与其结构参数的关系表达式G(r_n)＝(l_n,a_n,b_n)。

3)确定天线口径场分布。根据阵列天线的增益、波束宽度、副瓣等需要，参照《现代天线设计》(Thomas A.Milligan著，郭玉春、方加云、张光生等译，电子工业出版社，2012年)确定各个缝隙辐射电场的幅度分布E_n(n＝1,2，3,……,N)。

4)确定缝隙等效电阻。第n个缝隙的归一化等效电阻公式为

$r_n=\frac{E_n^2{q}^{-n+1}}{\frac{1}{\mathrm{\&eta;}}\underset{i=1}{\overset{N}{\&Sigma;}}{E}_i^2-\underset{i=1}{\overset{n}{\&Sigma;}}{E}_i^2{q}^{-i+1}}$

其中，q＝e^-2αd，α为波导衰减常数，d为相邻缝隙之间的间距，相邻缝隙间距d＝M*λ_g/4(M＝1,2,3,4)，其中，为微波在波导内的波导波长，λ₀为自由空间中的波长，为了方便设计，这里近似取E_i为第i(1≤i≤n)个缝隙辐射电场的幅度，由步骤3)得到，η为天线辐射效率，一般取0.93～0.98。

5)确定每个缝隙的长度及对应波导的参数。由步骤4)可以得到第n个缝隙的归一化电阻r_n，将其代入到步骤2)拟合得到的缝隙的等效电阻与其结构参数的关系表达式G(r_n)＝(l_n,a_n,b_n)中，计算得到第n个缝隙的长度l_n，及所在位置对应的波导宽边长度a_n和波导窄边长度b_n。约束矩形缝隙波导的输入端截面尺寸为a₀和b₀，根据计算得到的a_n和b_n，应用三次样条曲线插值可得到波导的宽边长度随波导轴线z的变化函数a(z)，及波导的窄边长度随波导轴线z的变化函数b(z)，从而确定整个变截面矩形缝隙波导的横截面尺寸。

6)确定缝隙的其它参数。为保证天线的行波状态和较高的功率容量，缝隙的其它参数应满足：0.05λ₀<w<0.1λ₀，0.2t_a<R≤0.5t_a，λ₀为自由空间中的波长；

7)确定薄型吸收负载尺寸和位置。薄型吸收负载的作用是吸收变截面矩形缝隙波导中未辐射的微波能量，因此要求薄型吸收负载能够充分吸收剩余微波的能量，同时使反射最小。在已知薄型吸收负载材料的相对介电常数ε_r和相对磁导率μ_r的情况下，薄型吸收负载的厚度h和与挡板的距离p满足方程(1)所述关系。在p和h为正值实数的约束条件下，满足方程(1)的p和h值是离散的，可以根据实际工程需要，从中选取一组值。

$\frac{Z_1\tanh \left({\mathrm{\&gamma;}}_{1}p\right)+Z_2\tanh \left({\mathrm{\&gamma;}}_{2}h\right)}{Z_1\tanh \left({\mathrm{\&gamma;}}_{1}p\right)\tanh \left({\mathrm{\&gamma;}}_{2}h\right)+Z_2}=\frac{Z_1}{Z_2}---\left(1\right)$

其中， λ_c＝2a_N，λ₀为自由空间中的波长，η₀为矩形波导TE₁₀的波阻抗。

确定上述参数后，即可完成整个天线的设计。微波从变截面矩形波导一端馈入，在缝隙阵列口面上微波能量从缝隙辐射到空间中，剩余能量被薄型吸收负载吸收，保证微波传输的行波状态。

与现有技术相比，采用本发明可以达到以下技术效果：

本发明高功率微波密布缝隙波导天线由于采用了密布的缝隙阵列，可以有效降低每个缝隙的等效电阻，从而一方面实现在较短的天线长度内达到较高的辐射效率，同时具有较高的功率容量，满足高功率微波领域的紧凑化和高功率容量要求。

附图说明

图1为本发明所述天线整体外观效果图；

图2为本发明所述天线的俯视图；

图3为天线在第n个缝隙处的截断视图；

图4为图2的N-N剖视图。

具体实施方式

如图1～4所示，本发明所述高功率微波密布缝隙波导天线由变截面矩形缝隙波导1和薄型吸收负载5组成。薄型吸收负载5放置在变截面矩形缝隙波导1的末端。

所述变截面矩形缝隙波导1的内腔横截面为矩形。变截面矩形缝隙波导1的一端为开放的输入口，另一端为封闭结构，通过一块金属挡板4进行封闭。变截面矩形缝隙波导1的一侧宽边上开有N个缝隙3，所述开有N个缝隙的宽边称为缝隙阵列口面2，缝隙阵列口面2的金属壁厚度为t_a，缝隙长度方向与波导轴线垂直，缝隙的宽度为w，第n(n＝1,2,3,…,N)个缝隙的长度为l_n，缝隙的两端为圆弧形，半径为w/2，缝隙上下两个面的边缘倒圆角，倒角半径为R，相邻缝隙的间距为d。变截面矩形缝隙波导1的内腔横截面的宽边长度和窄边长度随着波导的轴线变化，第n个缝隙中心所对应的矩形波导截面的宽边长度为a_n，窄边长度b_n，整个波导截面的宽边长度随波导轴线(z轴)的变化关系a(z)及窄边长度随波导轴线(z轴)的变化关系b(z)分别由一系列的a_n和b_n通过三次样条曲线插值得到。变截面矩形缝隙波导的输入端截面尺寸为a₀×b₀，其具体值在实际应用中由波导上游所连接器件的尺寸确定。

国防科学技术大学研制的高功率微波密布缝隙波导天线的相关参数如下：

高功率微波密布缝隙波导天线工作于L波段，中心频率为1.5GHz，变截面矩形缝隙波导1的微波馈入端口波导宽边a₀＝109mm，窄边b₀＝70mm，缝隙阵列口面的壁厚t_a＝5mm，如图2所示，微波在变截面矩形缝隙波导中传输，随着微波的传输，能量从缝隙中辐射到外空间，缝隙结构侧面如图3所示，其中缝隙的宽度w＝10mm，缝隙上下两个面边缘倒圆角半径R＝2.5mm，相邻缝隙间距d＝32mm，根据发明内容中的各参数计算方法可得到从微波馈入端口到输出匹配导体按顺序各缝隙的长度l_n及对应波导段宽边a_n、窄边b_n如表1所示。如图4所示，薄型吸收负载2放置在变截面矩形缝隙波导基底末端适当位置，薄型吸收负载高度h＝7.0mm，与变截面矩形缝隙波导基底末端波导壁最近距离p＝4.2mm，采用材料的电磁参数ε_r＝10.61-0.32j，μ_r＝2.79-1.33j。

表1缝隙阵列口面66个缝隙的长度l_n及对应波导宽边a_n与窄边b_n

本发明通过建立仿真模型并使用CST Microwave Studio模拟，选择合适的缝隙电场分布，得到未考虑损耗的情况下辐射效率达到95％，真空环境中工作功率容量超过2GW，在横向上电场基本达到均匀，具有大规模组阵能力，且总长度不超过2.5m。所设计高功率微波密布缝隙波导天线满足结构紧凑、功率容量高、具有组阵前景的应用需求。

Claims (1)

1.一种高功率微波密布缝隙波导天线，其特征在于：所述天线由变截面矩形缝隙波导和薄型吸收负载组成；

所述变截面矩形缝隙波导的主体为矩形金属波导管，该波导管的一端为输入口，另一端为封闭结构，即该波导管的末端通过一块金属挡板进行封闭；变截面矩形缝隙波导的一侧宽边为缝隙阵列口面，缝隙阵列口面的金属壁厚度为t_a，缝隙阵列口面上周期性地开有N个缝隙，N为天线的辐射效率达到95％时的最少缝隙个数，缝隙长度方向与变截面矩形缝隙波导的轴线垂直，缝隙的宽度为w，第n(n＝1,2,3,…,N)个缝隙的长度为l_n，缝隙的两端为圆弧形，圆弧半径为w/2，缝隙上下两个面的边缘倒圆角，倒角半径为R，相邻缝隙的间距为d；第n个缝隙中心所对应的矩形波导截面的宽边长度为a_n，窄边长度b_n，整个波导截面的宽边长度随波导轴线的变化关系a(z)及窄边长度随波导轴线的变化关系b(z)分别由一系列的a_n和b_n通过三次样条曲线插值得到；变截面矩形缝隙波导的输入端截面尺寸为a₀×b₀，其具体值由波导上游所连接器件的尺寸确定；

所述薄型吸收负载为一块由磁性材料羰基铁制成的立方体，该立方体的厚度为h，横截面尺寸与变截面矩形缝隙波导的末端截面尺寸一致，薄型吸收负载安装在变截面矩形缝隙波导的末端，其厚度h沿波导轴线方向，薄型吸收负载与矩形缝隙波导末端金属挡板的间距为p；

上述结构参数所满足的条件和设计步骤如下：

1)确定波导基本参数：变截面矩形缝隙波导的输入端尺寸a₀和b₀根据实际应用需要设计，为了满足TE₁₀模在其中传输，一般满足λ₀/2<a₀<λ₀，b₀<λ₀/2，λ₀为自由空间中的波长；缝隙阵列口面的壁厚t_a根据强度需要和保证功率容量的需要，一般取t_a>2mm；

2)拟合缝隙的等效电阻与其结构参数的关系表达式：选取不同的波导基本参数和缝隙基本参数，用CST Microwave Studio软件建立缝隙等效电阻参数提取模型，多次仿真得到不同缝隙长度l_n、波导宽边长度a_n和波导窄边长度b_n对应的缝隙等效电阻r_n，通过牛顿插值处理拟合得到缝隙的等效电阻与其结构参数的关系表达式G(r_n)＝(l_n,a_n,b_n)；

3)确定天线口径场分布：根据阵列天线的增益、波束宽度、副瓣等需要，确定各个缝隙辐射电场的幅度分布E_n(n＝1,2，3,……,N)；

4)确定缝隙等效电阻：第n个缝隙的归一化等效电阻公式为

$r_n=\frac{E_n^2{q}^{-n+1}}{\frac{1}{\mathrm{\&eta;}}\underset{i=1}{\overset{N}{\&Sigma;}}{E}_i^2-\underset{i=1}{\overset{n}{\&Sigma;}}{E}_i^2{q}^{-i+1}}$

其中，q＝e^-2αd，α为波导衰减常数，d为相邻缝隙之间的间距，相邻缝隙间距d＝M*λ_g/4(M＝1,2,3,4)，其中，为微波在波导内的波导波长，λ₀为自由空间中的波长，为了方便设计，这里近似取E_i为第i(1≤i≤n)个缝隙辐射电场的幅度，由步骤3)得到，η为天线辐射效率，一般取0.93～0.98；

5)确定每个缝隙的长度及对应波导的参数：由步骤4)可以得到第n个缝隙的归一化电阻r_n，将其代入到步骤2)拟合得到的缝隙的等效电阻与其结构参数的关系表达式G(r_n)＝(l_n,a_n,b_n)中，计算得到第n个缝隙的长度l_n，及所在位置对应的波导宽边长度a_n和波导窄边长度b_n；约束矩形缝隙波导的输入端截面尺寸为a₀和b₀，根据计算得到的a_n和b_n，应用三次样条曲线插值可得到波导的宽边长度随波导轴线z的变化函数a(z)，及波导的窄边长度随波导轴线z的变化函数b(z)，从而确定整个变截面矩形缝隙波导的横截面尺寸；

6)确定缝隙的其它参数：为保证天线的行波状态和较高的功率容量，缝隙的其它参数应满足：0.05λ₀<w<0.1λ₀，0.2t_a<R≤0.5t_a，λ₀为自由空间中的波长；

7)确定薄型吸收负载尺寸和位置：在已知薄型吸收负载材料的相对介电常数ε_r和相对磁导率μ_r的情况下，薄型吸收负载的厚度h和与挡板的距离p满足方程(1)所述关系，在p和h为正值实数的约束条件下，满足方程(1)的p和h值是离散的，可以根据实际工程需要，从中选取一组值：

$\frac{Z_1\tanh \left({\mathrm{\&gamma;}}_{1}p\right)+Z_2\tanh \left({\mathrm{\&gamma;}}_{2}h\right)}{Z_1\tanh \left({\mathrm{\&gamma;}}_{1}p\right)\tanh \left({\mathrm{\&gamma;}}_{2}h\right)+Z_2}=\frac{Z_1}{Z_2}---\left(1\right)$

其中，λ_c＝2a_N，λ₀为自由空间中的波长，η₀为矩形波导TE₁₀的波阻抗，其具体值对求解方程无关。