CN106329051A - 金属平板透镜 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种金属平板透镜，目的是解决需要对微波波前相位进行调整的场合下，介质透镜不能赋形于应用平台的问题。本发明由n2个分立相位调整单元构成，每个分立相位调整单元由m层十字缝金属板及m‑1层支撑板交替紧密叠放而成；十字缝金属板是打有十字缝的正方形金属板，m层十字缝金属板叠放时保证m层十字缝金属板上的十字缝正对；支撑板是打有方形通孔的正方形金属板；每一列分立相位调整单元的十字缝沿微波传输方向的扭转角度相等，相邻列扭转角度相差本发明对口面天线输出的圆极化微波波前相位进行调整，可实现调整微波波束指向空间目标位置，且本发明易于赋形于应用平台，体积小、重量轻，适应高功率微波紧凑化发展需求。

Description

金属平板透镜
技术领域
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系统中的金属平板透镜。
背景技术
目前，高功率微波是指峰值功率大于100MW、频率在1～100GHz之间的电磁波，在军事领域和民用方面应用多种多样。
一般高功率微波系统需要通过透镜向外辐射微波，透镜的作用主要有两种，一种是隔绝大气与微波源内部，以防大气进入微波源导致电场击穿，另一种是调整微波在经过透镜后不同位置处的相位，使其输出微波在远场增益、微波指向等方面满足使用要求。常用的透镜主要为介质透镜，介质透镜主要由纯介质构成，通过调整介质透镜不同位置的厚度，使微波在经过透镜不同位置时产生一定的相位差，进而对输出微波起到调整远场增益、微波指向等的作用。研究人员已经利用介质透镜对微波系统输出微波进行调整，取得了较好的效果。如【袁成卫.新型高功率微波共轴模式转换器及模式转换天线研究,博士学位论文,2006.】通过将介质透镜设计成平凸型使喇叭天线输出的球面波转换为平面波输出，提高了微波远场增益。介质透镜在近些年里获得了广泛的应用，但是在某些应用背景下也存在一些弊端，如在需要对微波相位进行调整的应用场合，介质透镜通过调整自身结构来实现对微波的调整，不能将其做成平板结构赋形于应用平台，并且在高功率微波紧凑化发展的趋势下，介质透镜的体积、重量问题也不容忽视。
因此，对能够应用于高功率微波领域的体积小、重量轻的平板型透镜的研究探索具有重要意义。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对现有技术中在需要对微波波前相位进行调整的应用场合下，介质透镜不能做成平板结构赋形于应用平台，并且其体积、重量较大的问题，提供一种体积小、重量轻的金属平板透镜。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
本发明可以实现对口面天线输出到平板金属透镜的圆极化微波波前相位进行调整，实现调整微波波束指向空间目标位置的效果。
本发明由n行n列共n2个大小和结构均相同的分立相位调整单元构成，将第i行第j列分立相位调整单元表示为Aij，其中0＜i≤n，0＜j≤n且均为整数。
分立相位调整单元由m层结构相同的十字缝金属板及m-1层结构相同的支撑板构成，m为大于1的整数。以靠近口面天线一侧为左，以远离口面天线一侧为右，m层十字缝金属板从左至右分别为第1十字缝金属板、第2十字缝金属板、……第m十字缝金属板，m-1层支撑板从左至右分别为第1支撑板、第2支撑板、……第m-1支撑板，m层十字缝金属板与m-1层支撑板从左至右紧密叠放，叠放顺序为第1十字缝金属板、第1支撑板、第2十字缝金属板、第2支撑板、……第m-1十字缝金属板、第m-1支撑板、第m十字缝金属板。第1十字缝金属板由在边长为L1，厚度为D1的正方形金属板上打有一个十字缝而成，十字缝的长轴长为L2，长轴宽为L3，短轴长为L4，短轴宽为L5，长轴与短轴的交点位于长轴与短轴各自的中心，同时与第1十字缝金属板的中心重合。m层十字缝金属板叠放时要保证m层十字缝金属板上的十字缝正对。其中λ为中心工作频率对应的自由空间波长，D1取1-2mm，L3＜L2＜L1，L3需要满足且L5＜L4＜L2，L5需要满足且第1支撑板由在边长为L6，厚度为D2的正方形金属板上打有一个方形通孔而成，方形通孔的边长为L7，方形通孔的中心与第1支撑板的中心重合。其中L6＝L1，D2>0，当L1、D1确定后，通过电磁仿真软件CST，在满足上述条件的基础上，由分立相位调整单元左侧注入左旋圆极化微波，由于左旋圆极化微波可以看做是由竖直极化分量微波与相位落后竖直极化分量微波90°的水平极化分量微波合成的微波，设定左旋圆极化微波由分立相位调整单元左侧传输到右侧后，竖直极化分量微波相位落后水平极化分量微波相位90°，即转换为右旋圆极化微波的效率为99％，可以获得参数L2、L3、L4、L5、L6、L7、D2的精确值。
将第i行第j列分立相位调整单元Aij上的十字缝沿微波传输方向的扭转角度定义为Tij，0°≤Tij＜180°。Tij的具体数值由入射波性质及波束指向要求决定，应用于本发明中的入射波为圆极化平面入射波，满足每一列分立相位调整单元的十字缝沿微波传输方向的扭转角度相等，相邻列分立相位调整单元的十字缝沿微波传输方向的扭转角度相差即：
第1列分立相位调整单元的十字缝沿微波传输方向的扭转角度：T11＝T21＝…Ti1…＝Tn1，
第2列分立相位调整单元的十字缝沿微波传输方向的扭转角度：T12＝T22＝…Ti2…＝Tn2，
……
第j列分立相位调整单元的十字缝沿微波传输方向的扭转角度：T1j＝T2j＝…Tij…＝Tnj，
……
第n列分立相位调整单元的十字缝沿微波传输方向的扭转角度：T1n＝T2n＝…Tin…＝Tnn，
且
其中u＝2……n，λ为中心工作频率对应的自由空间波长，Q为出射波的波束偏转角度，取决于空间目标相对于金属平板透镜的位置，由用户确定。
本发明的工作过程为：金属平板透镜的n2个分立相位调整单元将口面天线输出的左旋圆极化微波功分为n2份，将与分立相位调整单元Aij对应的左旋圆极化微波定义为Cij，左旋圆极化模式微波Cij沿着分立相位调整单元Aij传输，由于左旋圆极化微波可以看做是由竖直极化分量微波与相位落后竖直极化分量微波90°的水平极化分量微波合成的微波，当左旋圆极化微波Cij由分立相位调整单元Aij左侧传输到右侧过程中，左旋圆极化微波Cij每经过一层十字缝金属板，竖直极化分量微波相位会落后，水平极化分量微波相位会超前，水平极化分量微波超前量与竖直极化分量微波落后量的差为180/m°，支撑层起到支撑和防止左旋圆极化微波Cij在分立相位调整单元Aij之间耦合的作用，对相位调整不起作用，当注入的Cij由分立相位调整单元Aij左侧传输到右侧后，水平极化分量微波超前总量与竖直极化分量微波落后总量的差为180°，竖直极化分量微波相位落后水平极化分量微波90°，即左旋圆极化微波Cij转换为右旋圆极化微波，同理，当口面天线输出的是右旋圆极化微波时，分立相位单元可以将其转换为左旋圆极化微波，所以每个分立相位调整单元相当于一个可以反转圆极化微波模式极化方向的模式转换器，将通过分立相位调整单元Aij的圆极化模式微波的极化方向进行反向，且通过分立相位调整单元Aij上的十字缝扭转角度调整圆极化模式微波的输出相位。n行n列共n2个分立相位调整单元组成平板金属透镜，对口面天线输出的圆极化微波波前相位进行调整，即可实现调整微波波束指向空间目标位置的效果。
与现有技术相比，采用本发明可以达到以下技术效果：
1、本发明对口面天线输出的圆极化微波波前相位进行调整，可以实现调整微波波束指向空间目标位置的效果；
2、本发明由全金属构成，真空条件下击穿阈值较高，适用于高功率微波应用；
3、本发明结构为平板结构，易于赋形于应用平台，与介质透镜相比体积小、重量轻，适应高功率微波紧凑化发展需求。
附图说明
图1为背景技术【袁成卫.新型高功率微波共轴模式转换器及模式转换天线研究,博士学位论文,2006.】中公布的安装在喇叭天线口面上的平凸型介质透镜示意图；
图2为本发明金属平板透镜整体结构示意图；
图3为本发明分立相位调整单元结构示意图；
图4为构成本发明分立相位调整单元的第1十字缝金属板结构示意图；
图5为构成本发明分立相位调整单元的第1支撑板结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式做进一步描述。以下实施例仅用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
图1为背景技术【袁成卫.新型高功率微波共轴模式转换器及模式转换天线研究,博士学位论文,2006.】中公布的安装在天线口面1上的平凸型介质透镜2示意图。这种平凸型介质透镜2可以提高微波远场增益，但是无法做成平板结构赋形于应用平台，并且在高功率微波紧凑化发展的趋势下，平凸型介质透镜2的体积、重量问题也不容忽视。
图2为本发明金属平板透镜3整体结构示意图。如图所示，金属平板透镜3由n行n列共n2个分立相位调整单元4构成，金属平板透镜3为平板结构，容易赋形于应用平台。
图3为本发明分立相位调整单元4示意图。如图所示，分立相位调整单元4由m层大小和结构相同的十字缝金属板(41、42、……、4(m-1)、4(m))及m-1层大小和结构相同的支撑板(51、52、……5(m-1))构成，以图1中靠近口面天线一侧为左，以远离口面天线一侧为右，m层十字缝金属板(41、42、……、4(m-1)、4(m))从左至右分别为第1十字缝金属板41、第2十字缝金属板42、……第m-1十字缝金属板4(m-1)、第m十字缝金属板4(m)，m-1层支撑板(51、52、……5(m-1))从左至右分别为第1支撑板51、第2支撑板52、……第m-1支撑板5(m-1)，m层十字缝金属板(41、42、……、4(m-1)、4(m))与m-1层支撑板(51、52、……5(m-1))从左至右紧密叠放，叠放顺序为第1十字缝金属板41、第1支撑板51、第2十字缝金属板42、第2支撑板52、……第m-1十字缝金属板4(m-1)、第m-1支撑板5(m-1)、第m十字缝金属板4(m)，m层十字缝金属板(41、42、……、4(m-1)、4(m))叠放时要保证m层十字缝金属板(41、42、……、4(m-1)、4(m))上的十字缝411正对。其中第1十字缝金属板41的厚度为D1，第1支撑板51的厚度为D2。
图4为构成本发明分立相位调整单元4的第1十字缝金属板41示意图。如图所示，第1十字缝金属板41由在边长为L1，厚度为D1的正方形金属板上打有一个十字缝411而成，十字缝411的长轴4111长为L2，长轴4111宽为L3，短轴4112长为L4，短轴4112宽为L5，长轴4111与短轴4112的交点位于长轴4111与短轴4112各自的中心，同时与十字缝金属板41的中心重合。其中λ为中心工作频率对应的自由空间波长，D1取1-2mm，L3＜L2＜L1，L3需要满足且L5＜L4＜L2，L5需要满足且m层十字缝金属板(41、42、……、4(m-1)、4(m))结构相同。将第i行第j列分立相位调整单元表示为Aij，Aij上的十字缝4111沿微波传输方向的扭转角度定义为Tij，其中0＜i≤n，0＜j≤n且均为整数，其中0°≤Tij＜180°。Tij的具体数值由入射波性质及波束指向要求决定，应用于本发明中的入射波为圆极化平面入射波，满足每一列分立相位调整单元的十字缝沿微波传输方向的扭转角度相等，相邻列分立相位调整单元的十字缝沿微波传输方向的扭转角度相差即：
第1列分立相位调整单元的十字缝沿微波传输方向的扭转角度：T11＝T21＝…Ti1…＝Tn1，
第2列分立相位调整单元的十字缝沿微波传输方向的扭转角度：T12＝T22＝…Ti2…＝Tn2，
……
第j列分立相位调整单元的十字缝沿微波传输方向的扭转角度：T1j＝T2j＝…Tij…＝Tnj，
……
第n列分立相位调整单元的十字缝沿微波传输方向的扭转角度：T1n＝T2n＝…Tin…＝Tnn，
且
其中u＝2……n，λ为中心工作频率对应的自由空间波长，Q为出射波的波束偏转角度，取决于空间目标相对于金属平板透镜的位置，由用户确定。
图5为构成分立相位调整单元4的第1支撑板51示意图。如图所示，支撑板51由在边长为L6，厚度为D2的正方形金属板上打有一个方形通孔511而成，方形通孔511的边长为L7，方形通孔511的中心与第1支撑板51的中心重合。其中L6＝L1，D2>0，m-1层十字缝金属板(51、……5(m-1))结构相同。
当L1、D1确定后，通过电磁仿真软件CST，在满足上述条件的基础上，由分立相位调整单元4左侧注入左旋圆极化微波，由于左旋圆极化微波可以看做是由竖直极化分量微波与相位落后竖直极化分量微波90°的水平极化分量微波合成的微波，设定左旋圆极化微波由分立相位调整单元4左侧传输到右侧后，竖直极化分量微波相位落后水平极化分量微波相位90°，即转换为右旋圆极化微波的效率为99％，可以获得参数L2、L3、L4、L5、L6、L7、D2的精确值。以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化及变型，因此所有等同技术方案也属于本发明的保护范畴。

Claims (6)

1.一种金属平板透镜，其特征在于金属平板透镜由n行n列共n2个大小和结构均相同的分立相位调整单元(4)构成，将第i行第j列分立相位调整单元(4)表示为Aij，其中0＜i≤n，0＜j≤n且均为整数；分立相位调整单元(4)由m层结构相同的十字缝金属板(41、42、……、4(m-1)、4(m))及m-1层结构相同的支撑板(51、52、……5(m-1))构成，m为大于1的整数；以靠近口面天线(1)一侧为左，以远离口面天线(1)一侧为右，m层十字缝金属板从左至右分别为第1十字缝金属板(41)、第2十字缝金属板(42)、……第m-1十字缝金属板(4(m-1))、第m十字缝金属板(4m)，m-1层支撑板从左至右分别为第1支撑板(51)、第2支撑板(52)、……第m-1支撑板(5(m-1))，m层十字缝金属板与m-1层支撑板从左至右紧密叠放，叠放顺序为第1十字缝金属板(41)、第1支撑板(51)、第2十字缝金属板(42)、第2支撑板(52)、……第m-1十字缝金属板(4(m-1))、第m-1支撑板(5(m-1))、第m十字缝金属板(4m)；第1十字缝金属板(41)由在边长为L1，厚度为D1的正方形金属板上打有一个十字缝(411)而成，十字缝(411)的长轴长为L2，长轴宽为L3，短轴长为L4，短轴宽为L5，长轴与短轴的交点位于长轴与短轴各自的中心，同时与第1十字缝金属板(41)的中心重合；m层十字缝金属板叠放时要保证m层十字缝金属板上的十字缝(411)正对；第1支撑板(51)由在边长为L6，厚度为D2的正方形金属板上打有一个方形通孔(511)而成，方形通孔(511)的边长为L7，方形通孔(511)的中心与第1支撑板(51)的中心重合；
将第i行第j列分立相位调整单元(4)Aij上的十字缝沿微波传输方向的扭转角度定义为Tij，0°≤Tij＜180°，Tij的具体数值由入射波性质及波束指向要求决定，满足每一列分立相位调整单元的十字缝沿微波传输方向的扭转角度相等，相邻列分立相位调整单元的十字缝沿微波传输方向的扭转角度相差即：
第1列分立相位调整单元的十字缝(411)沿微波传输方向的扭转角度：T11＝T21＝…Ti1…＝Tn1，
第2列分立相位调整单元的十字缝(411)沿微波传输方向的扭转角度：T12＝T22＝…Ti2…＝Tn2，
……
第j列分立相位调整单元的十字缝(411)沿微波传输方向的扭转角度：T1j＝T2j＝…Tij…＝Tnj，
……
第n列分立相位调整单元的十字缝(411)沿微波传输方向的扭转角度：T1n＝T2n＝…Tin…＝Tnn，
且
其中u＝2……n，λ为中心工作频率对应的自由空间波长，Q为出射波的波束偏转角度，取决于空间目标相对于金属平板透镜的位置。
2.如权利要求1所述的金属平板透镜，其特征在于所述第1十字缝金属板(41)的参数满足：λ为中心工作频率对应的自由空间波长，D1取1-2mm，L3＜L2＜L1，L3满足且L5＜L4＜L2，L5满足且
3.如权利要求1所述的金属平板透镜，其特征在于所述第1支撑板(51)的参数满足：其中L6＝L1，D2>0，
4.如权利要求2所述的金属平板透镜，其特征在于当L1、D1确定后，通过电磁仿真软件CST，由分立相位调整单元(4)左侧注入左旋圆极化微波，设定左旋圆极化微波由分立相位调整单元(4)左侧传输到右侧后，竖直极化分量微波相位落后水平极化分量微波相位90°，即转换为右旋圆极化微波的效率为99％，获得参数L2、L3、L4、L5的精确值。
5.如权利要求3或4所述的金属平板透镜，其特征在于当L1、D1确定后，通过电磁仿真软件CST，由分立相位调整单元(4)左侧注入左旋圆极化微波，设定左旋圆极化微波由分立相位调整单元(4)左侧传输到右侧后，竖直极化分量微波相位落后水平极化分量微波相位90°，即转换为右旋圆极化微波的效率为99％，获得参数L6、L7、D2的精确值。
6.如权利要求1所述的金属平板透镜，其特征在于所述入射波为圆极化平面入射波。
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