CN107369911A - 高功率微波模式转换喇叭天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高功率微波模式转换喇叭天线，目的是解决目前喇叭天线不能直接用于发射高功率微波，轴向不够紧凑等问题。本发明由喇叭天线、模式转换透镜构成，喇叭天线由2个法兰盘和天线主体构成；模式转换透镜由第一匹配层，金属圆盘，填充介质，第二匹配层构成；金属圆盘由多个呈蜂窝状排列的模式转换单元组合而成，每个模式转换单元的横截面为正六边形，从金属圆盘的横截面来看，各正六边形紧密排列成圆形；模式转换单元横截面为正六边形的棱柱体内部打有5个孔；填充介质均匀填充在这5个孔中。本发明轴向更紧凑，可保证微波无耗传输，功率容量、增益和口径效率高。

Description

高功率微波模式转换喇叭天线

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，尤其是一种可以实现模式转换的高功率微波喇叭天线。

背景技术

目前，多数高功率微波源(如虚阴极振荡器、相对论返波管、磁绝缘线振荡器等)产生的微波模式都为旋转轴对称模，如圆波导的TM₀₁模、TE₀₁模和同轴波导TEM模等。这些模式由于场分布和极化方向在波导横截面上绕波导轴具有旋转对称性，若直接发射或激励传统喇叭天线，将产生轴向为零的环状远场方向图，其能量分散、增益低，不利于高功率微波的定向发射与传输。

为了实现微波的定向辐射，通常要应用高功率微波模式转换器将圆波导的TM₀₁模、TE₀₁模或同轴波导TEM模转换为易于定向发射的圆波导TE₁₁模，再由喇叭天线向外发射。为了增加高功率微波与目标的耦合概率，通常还需要使用圆极化器将圆波导线极化的TE₁₁模转换为圆极化TE₁₁模后再用来激励喇叭天线，现有的高功率微波模式转换器和高功率微波圆极化器的长度通常在3～5个波导波长，当与喇叭天线配合使用时，会造成整个高功率微波发射系统结构复杂，轴向长度较长，在某些特定的场合应用受到限制。

由于现有的喇叭天线与高功率微波模式转换器和圆极化器配合使用时轴向长度较长，不能满足某些特定场合(如空间尺寸有限的机载平台)的应用需求，如何设计一种轴向紧凑同时具有模式转换功能的喇叭天线是本领域技术人员极为关注的技术问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种新型高功率微波模式转换喇叭天线，其结构紧凑，输入输出共轴，具有较高增益，用以解决目前喇叭天线不能直接用于发射高功率微波，以及轴向不够紧凑等问题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

本发明由喇叭天线、模式转换透镜两部分构成，喇叭天线是圆锥喇叭形状，一端通过第一法兰盘与微波源相连作为输入端口，另一端通过第二法兰盘与模式转换透镜焊接；定义喇叭天线、模式转换透镜靠近微波源的一端为输入端，远离微波源的一端为输出端；喇叭天线与模式转换透镜共轴；

喇叭天线由第一法兰盘，天线主体，第二法兰盘构成，均为金属材料制成；第一法兰盘焊接在天线主体靠近微波源端的外壁上，第二法兰盘焊接在天线主体远离微波源端的外壁上；第一法兰盘呈圆环状，其外直径为D1，内直径为D2，圆环厚度即轴向长度为t1；天线主体由一段圆波导和一段圆锥波导构成，其中圆波导形状为一个圆筒，内直径为D2，轴向长度为t2，波导壁厚s；圆锥波导靠近微波源端内直径为D2，远离微波源端内直径为D3，轴向长度为l，波导壁厚s；第二法兰盘呈圆环状，其外直径为D4，内直径为D3，圆环厚度为t1；喇叭天线的第一法兰盘与微波源相连，作为输入端；

从靠近微波源端到远离微波源端模式转换透镜依次由第一匹配层，金属圆盘，填充介质，第二匹配层构成；第一匹配层，填充介质，第二匹配层采用环氧树脂制成，环氧树脂的相对介电常数为4；第一匹配层为圆盘状，其输入端的那一面与喇叭天线的第二法兰盘的输出端面紧贴，其输出端的那一面覆盖在金属圆盘的输入端表面，第一匹配层的直径为D4，厚度为h0；金属圆盘输入端的那一面覆盖有第一匹配层，输出端的那一面紧贴第二匹配层；金属圆盘直径为D4，金属圆盘由多个呈蜂窝状排列的模式转换单元组合而成，每个模式转换单元的横截面为正六边形，正六边形的边长为d，从金属圆盘的横截面来看，各正六边形紧密排列成一个直径为D4的圆形，也可说各正六边形紧密排列成一个蜂窝状阵列，每个正六边形在蜂窝状阵列中所处列数用p表示，所处行数用q表示。定义阵列中心处正六边形处在第0行第0列，阵列中心上侧正六边形所处行数为正、下侧为负，阵列中心右侧正六边形所处列数为正、左侧为负。模式转换单元是通过在横截面为正六边形的棱柱体内部打有5个孔形成，5个孔从靠近微波源端到远离微波源端依次为第一椭圆柱孔，第一过渡孔，圆柱形孔，第二过渡孔，第二椭圆柱孔；第一椭圆柱孔、圆柱形孔和第二椭圆柱孔的中心位于棱柱体的轴线上；第一椭圆柱孔的半长轴为a1，半短轴为b1，深度为h1；圆柱形孔的半径为b，深度为h3；第二椭圆柱孔的半长轴为a2，半短轴为b2，深度为h5；第一过渡孔靠近输入端的一端为椭圆形，靠近输出端的一端为圆形，第一过渡孔将第一椭圆柱孔逐渐过渡并连接至圆柱形孔，深度为h2；第二过渡孔靠近输入端的一端为圆形，靠近输出端的一端为椭圆形，第二过渡孔将圆柱形孔逐渐过渡并连接至第二椭圆柱孔，深度为h4；设定金属圆盘的中心处为坐标原点，建立x-y固定坐标系，则所有模式转换单元的第一椭圆柱孔中心与第二椭圆柱孔中心在x-y平面的投影均用坐标Q(x，y)表示，正六边形的边长为d确定后，Q(x，y)也随之确定，且有(p表示模式转换单元在蜂窝状阵列中所处列数，q表示模式转换单元在蜂窝状阵列中所处行数)。令第一椭圆柱孔长轴与x轴正向的夹角为θ，第二椭圆柱孔长轴与x轴正向的夹角为第一椭圆柱孔的长轴与第二椭圆柱孔的长轴之间的相对夹角为该值随着第一椭圆柱孔与第二椭圆柱孔位置的不同而变化；填充介质均匀填充在所有模式转换单元的第一椭圆柱孔、第一过渡孔、圆柱形孔、第二过渡孔和第二椭圆柱孔中，并保持与这5个孔孔壁的紧密贴合；第二匹配层为圆盘状，一面与金属圆盘紧密贴合，另一面即为高功率微波模式转换喇叭天线的输出端，第二匹配层的直径为D4，厚度为h6。

为了叙述方便，这里统一介绍以上设计的结构参数所满足的条件：

1、模式转换单元的正六边形的边长第一椭圆柱孔内满足椭圆波导TEc₁₁单模传输条件，且离心率小于0.855，有 其中ε为孔内填充介质的相对介电常数，c为真空中的光速，f为微波频率；圆柱形孔内满足圆波导TE₁₁模传输条件，有第二椭圆柱孔内也需满足椭圆波导TEc₁₁单模传输条件，且离心率小于0.855，同样有另外微波在自由空间经第一匹配层耦合到金属圆盘内后，经过第一椭圆柱孔和第一过渡孔后可以实现线极化的TE模式到右旋圆极化TE模式的转换，而h0、a1、b1、h1和h2的取值决定了此转换过程能否实现，因此h0、a1、b1、h1和h2是仿真优化的关键参数。右旋圆极化TE模式继续传输，依次经过圆柱形孔、第二过渡孔并耦合至第二椭圆柱孔，在此过程中需要保证微波无耗传输，而参数b、h3和h4的取值决定了微波能否完全通过而没有反射，因此b、h3和h4是仿真优化的关键参数。右旋圆极化TE模式耦合至第二椭圆柱孔并经传输后，最终可以实现右旋圆极化TE模式到左旋圆极化TE模式的转换，通过第二匹配层后可以无耗传输至自由空间，而a2、b2、h5和h6的取值决定了此转换过程能否实现，因此a2、b2、h5和h6也是仿真优化的关键参数。具体应用时，给定微波频率后，可以大致确定a1、b1、a2、b2、b和d的取值范围，在各个部件实现上述功能的前提下，可以由电磁仿真软件CST Studio Suite分段优化进而得到a1、b1、a2、b2、b、h0、h1、h2、h3、h4、h5、h6和d的一组具体值。

2、第一椭圆柱孔长轴与x轴正向的夹角为x为不同位置处第一椭圆孔中心与第二椭圆孔中心所对应的投影坐标Q(x，y)的横坐标，y为Q(x，y)的纵坐标，且有d为正六边形的边长，p表示模式转换单元在蜂窝状阵列中所处列数，q表示模式转换单元在蜂窝状阵列中所处行数。第二椭圆柱孔长轴与x轴正向的夹角为l为喇叭天线圆锥段轴向长度，λ为微波在自由空间中的波长，且有θ只与第一椭圆柱孔中心的投影坐标有关，与微波的频率无关，既与第二椭圆柱孔中心的投影坐标有关，又与微波的频率和喇叭天线圆锥段的轴向长度有关。具体应用时，当模式转换单元横截面正六边形的边长d、微波波长λ以及喇叭天线圆锥段长度l给定后，根据d确定Q(x，y)，θ与通过上述公式计算得到。

3、喇叭天线为公知的圆锥喇叭天线，其主要结构参数为D2、D3、t2和l，且有D3>D2>0，t2>0，l>0，这些参数应使得喇叭天线的辐射效率超过99％，并且微波在喇叭内以近似球面波传播，具体应用时，给定微波频率后，可由电磁仿真软件CST Studio Suite优化设计得到D2、D3、t2和l的具体值。第一法兰盘的结构参数D1、t1，第二法兰盘的结构参数D4、t1不影响发明的整体实施效果，在满足D4>D1>0，t1>0的前提下，根据具体需要选择合适值即可。

通过电磁仿真软件CST Studio Suite，在满足 h0>0，h1>0，h2>0，h3>0，h4>0，h5>0，h6>0，D3>D2>0，t2>0，l>0，D4>D1>0，t1>0，s＞0的条件下，设定天线辐射效率大于99％，可以获得参数D1、D2、D3、D4、t1、t2、l、a1、b1、a2、b2、b、d、h0、h1、h2、h3、h4、h5和h6的精确值，s一般取3-5mm。且这样设计出来的模式转换透镜的总长度(h0+h1+h2+h3+h4+h5+h6)在一个波导波长左右。

本发明的工作过程为：高功率微波源输出的TE₀₁模式或者TM₀₁模式输入到高功率微波模式转换喇叭天线的圆波导中，经过圆锥波导传输后，通过模式转换透镜的第一匹配层耦合到模式转换透镜的金属圆盘内。由于模式转换透镜的金属圆盘内部有许多模式转换单元，在每个模式转换单元内部，微波先后经历了线极化的TE模式到右旋圆极化TE模式的转换以及右旋圆极化TE模式到左旋圆极化TE模式的转换，由于第一椭圆形孔与第二椭圆形孔之间有一定的相对夹角通过调整此夹角可以使输出左旋圆极化TE模式的相位改变从而实现圆极化实心波束所需的相位分布，最终实现天线的波束为实心圆极化波束。设计的模式转换透镜的总长度(h0+h1+h2+h3+h4+h5+h6)在一个波导波长左右，同时无需重新设计天线罩，使得高功率微波模式转换喇叭天线在轴向上更加紧凑，具体工作时，喇叭天线与模式转换透镜内部抽高真空，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，采用本发明可以达到以下技术效果：

1.本发明通过在模式转换透镜的输入、输出端面分别使用介质层覆盖，且优化设计模式转换单元内部5个孔的结构，可以保证微波在经过模式转换透镜时无耗传输，使得整个模式转换喇叭天线具有较高的辐射效率；

2.模式转换透镜本身可以起到一定的聚束作用，从而提高了天线的增益和口径效率；

3.模式转换透镜的总长度在一个波导波长左右，与现有的模式转换技术相比，长度大大减小，从而使得整个模式转换喇叭天线在轴向上更加紧凑；

4.模式转换透镜加工简单，工作在高真空状态时，模式转换喇叭天线具有较高的功率容量，可以满足高功率微波应用的需求。

附图说明

图1是本发明高功率微波模式转换喇叭天线的总体结构示意图。

图2是图1沿AA’平面的等轴测剖视图。

图3是图1沿AA’平面的正视剖视图。

图4是本发明模式转换透镜2沿AA’平面的等轴测剖视图以及局部放大视图。

图5是本发明模式转换透镜2的模式转换单元排布规律。

图6是传统喇叭天线的三维方向图。

图7是本发明一个实施例的三维方向图。

图8是本发明一个实施例的二维方向图。

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。

图1是本发明高功率微波模式转换喇叭天线的总体结构示意图。如图1所示，本发明由喇叭天线1、模式转换透镜2两部分构成。喇叭天线1是常用的圆锥喇叭形状，一端通过第一法兰盘11与微波源相连作为输入端口，另一端通过第二法兰盘13与模式转换透镜2焊接。定义喇叭天线1、模式转换透镜2靠近微波源的一端为输入端，远离微波源的一端为输出端。喇叭天线1与模式转换透镜2共轴。

图2是图1沿AA’平面的等轴测剖视图。图3是图1沿AA’平面的正视剖视图。如图2、图3所示，喇叭天线1由第一法兰盘11，天线主体12，第二法兰盘13构成，均为金属材料制成。第一法兰盘11焊接在天线主体12靠近微波源端的外壁上，第二法兰盘13焊接在天线主体12远离微波源端的外壁上。第一法兰盘11呈圆环状，其外直径为D1，内直径为D2，圆环厚度(即轴向长度)为t1；天线主体12由一段圆波导和一段圆锥波导构成，其中圆波导形状为一个圆筒，内直径为D2，轴向长度为t2，波导壁厚s；圆锥波导靠近微波源端内直径为D2，远离微波源端内直径为D3，轴向长度为l，波导壁厚s；第二法兰盘13呈圆环状，其外直径为D4，内直径为D3，圆环厚度(即轴向长度)为t1；喇叭天线1的第一法兰盘11与微波源相连，作为输入端。

图4是本发明模式转换透镜2沿AA’平面的等轴测剖视图以及局部放大视图。图4(a)是图1中模式转换透镜2沿AA’平面的等轴测剖视图，图4(b)是模式转换透镜2的局部(图4(a)的I处)放大视图。如图4(a)所示，从靠近微波源端到远离微波源端模式转换透镜2依次由第一匹配层21，金属圆盘22，填充介质23，第二匹配层24构成。第一匹配层21，填充介质23，第二匹配层24采用环氧树脂制成，环氧树脂的相对介电常数为4。第一匹配层21为圆盘状，其输入端的那一面与喇叭天线1的第二法兰盘13的输出端面紧贴，其输出端的那一面覆盖在金属圆盘22的输入端表面，第一匹配层21的直径为D4，厚度为h0。金属圆盘22输入端的那一面覆盖有第一匹配层21，输出端的那一面紧贴第二匹配层24。图5是模式转换透镜的模式转换单元排布规律示意图。图5(a)是模式转换透镜的模式转换单元横截面示意图，图5(b)是模式转换单元内部孔轮廓在x-y平面的投影示意图。如图5(a)所示，金属圆盘22直径为D4，金属圆盘22由多个呈蜂窝状排列的模式转换单元组合而成，每个模式转换单元的横截面为正六边形，正六边形的边长为d，从金属圆盘22的横截面来看，各正六边形紧密排列成一个直径为D4的圆形，也可说各正六边形紧密排列成一个蜂窝状阵列，每个正六边形在蜂窝状阵列中所处列数用p表示，所处行数用q表示。定义阵列中心处正六边形处在第0行第0列，阵列中心上侧正六边形所处行数为正、下侧为负，阵列中心右侧正六边形所处列数为正、左侧为负，具体定义方式如图5(a)所示。如图4(b)所示，模式转换单元是通过在横截面为正六边形的棱柱体内部打有5个孔形成，5个孔从靠近微波源端到远离微波源端依次为第一椭圆柱孔221，第一过渡孔222，圆柱形孔223，第二过渡孔224，第二椭圆柱孔225。第一椭圆柱孔221、圆柱形孔223和第二椭圆柱孔225的中心位于棱柱体的轴线上。如图5(b)所示，结合图4(b)，第一椭圆柱孔221的半长轴为a1，半短轴为b1，深度为h1；圆柱形孔223的半径为b，深度为h3；第二椭圆柱孔225的半长轴为a2，半短轴为b2，深度为h5；第一过渡孔222靠近输入端的一端为椭圆形，靠近输出端的一端为圆形，第一过渡孔222将第一椭圆柱孔221逐渐过渡并连接至圆柱形孔223，深度为h2；第二过渡孔224靠近输入端的一端为圆形，靠近输出端的一端为椭圆形，第二过渡孔224将圆柱形孔223逐渐过渡并连接至第二椭圆柱孔225，深度为h4。设定金属圆盘22的中心处为坐标原点，建立如图5(a)所示的x-y固定坐标系，则所有模式转换单元的第一椭圆柱孔221中心与第二椭圆柱孔225中心在x-y平面的投影均可用坐标Q(x，y)表示，正六边形的边长为d确定后，不同位置处第一椭圆孔221中心与第二椭圆孔225中心所对应的投影坐标Q(x，y)也随之确定，且有d为正六边形的边长，(p表示模式转换单元在蜂窝状阵列中所处列数，q表示模式转换单元在蜂窝状阵列中所处行数)。令第一椭圆柱孔221长轴与x轴正向的夹角为θ，第二椭圆柱孔225长轴与x轴正向的夹角为则第一椭圆柱孔221的长轴与第二椭圆柱孔225的长轴之间的相对夹角为该值随着第一椭圆柱孔221与第二椭圆柱孔225位置的不同而变化。填充介质23均匀填充在所有模式转换单元的第一椭圆柱孔221、第一过渡孔222、圆柱形孔223、第二过渡孔224和第二椭圆柱孔225中，并保持与这5个孔孔壁的紧密贴合。第二匹配层24为圆盘状，一面与金属圆盘22紧密贴合，另一面即为本发明的输出端，第二匹配层24的直径为D4，厚度为h6。

以国防科大制备的高功率微波模式转换喇叭天线为例：

实施例一：

高功率微波频率为12GHz(即输入微波源的频率为12GHz，对应微波波长为25mm)的高功率微波模式转换喇叭天线中模式转换透镜实施例具体设计尺寸：

第一匹配层21，填充介质23，第二匹配层24采用环氧树脂制成，环氧树脂的相对介电常数为4。在该频率下，第一椭圆柱孔221的半长轴a1应满足3.57mm<a1<5.43mm，半短轴b1应满足3.054mm<b1<4.646mm，第二椭圆柱孔225的半长轴a2应满足3.57mm<a2<5.43mm，半短轴b2应满足3.054mm<b2<4.646mm，圆波导的半径b满足b>3.679mm，模式转换单元横截面正六边形的边长d应满足选取正六边形边长d＝7.56mm，在满足微波经第一匹配层21、第一椭圆柱孔221和第一过渡孔222传输后，可以实现线极化TE模式微波到右旋圆极化TE模式完全转换的条件下，仿真优化得到第一匹配层的厚度h0＝1.949mm；第一椭圆柱孔221的半长轴a1＝5.357mm，半短轴b1＝3.85mm，深度h1＝5.633mm；第一过渡孔222深度h2＝2.937mm；；在满足右旋圆极化TE模式经过圆柱形孔、第二过渡孔222传输时无耗损耗的条件下，仿真优化得到圆柱形孔223的半径b＝3.85mm，深度h3＝3.57mm；第二过渡孔223深度h4＝2.438mm；在右旋圆极化TE模式经第二椭圆柱孔225传输后，可以实现右旋圆极化TE模式到左旋圆极化TE模式的转换，并通过第二匹配层24后可以无耗传输至自由空间的条件下，仿真优化得到第二椭圆柱孔225的半长轴a2＝5.07mm，半短轴b2＝3.5mm，深度h5＝15.75mm；第二匹配层24的厚度h6＝1.921mm；当喇叭天线1圆锥段长度l确定后，即可由公式计算得到第一椭圆柱孔221长轴与x轴正向的夹角，由公式计算得到第二椭圆柱孔225长轴与x轴正向的夹角。

根据缩比原理，以上结构尺寸参数除以中心频率比例因子q1，其中q1＝f1(GHz)/12(GHz)，即为各高功率微波模式转换喇叭天线中模式转换透镜2在中心频率f1的尺寸，但是第一椭圆柱孔221长轴与x轴正向的夹角θ以及第二椭圆柱孔225长轴与x轴正向的夹角需要根据缩比后的横截面正六边形的边长d、微波波长λ以及新的中心频f1下所采用的喇叭天线圆锥段长度l重新计算，进而可以得到不同中心频率f1处相应的模式转换透镜的参数，从而能实现喇叭天线在L、S、C、X、Ku等频段的实心波束输出，且具有超过99％的辐射效率。

实施例二：

高功率微波频率为14.2GHz(即输入微波源的频率为14.2GHz，对应微波波长为21.03mm)的高功率微波模式转换喇叭天线的实施例具体设计尺寸：

喇叭天线1采用圆锥喇叭天线，其中天线主体12中圆波导及圆锥波导靠近微波源端的内直径D2＝140mm，圆波导长度t2＝30mm，圆锥波导远离微波源端内直径D3＝340mm，轴向长度l＝703mm；第一法兰盘11外直径D1＝170mm，第二法兰盘13外直径D4＝370mm，第一法兰盘11与第二法兰盘13的厚度均为t1＝10mm，波导壁厚s＝5mm；第一匹配层21、第二匹配层24和金属圆盘22的直径与第二法兰盘13外直径相等，均为D4＝370mm；第一匹配层21，填充介质23，第二匹配层24采用环氧树脂制成，环氧树脂的相对介电常数为4。在该频率下，模式转换单元横截面正六边形的边长第一匹配层21的厚度h0＝1.637mm，第一椭圆柱孔221的半长轴a1＝4.5mm，半短轴b1＝3.234mm，深度h1＝4.732mm；第一过渡孔222深度h2＝2.467mm；圆柱形孔223的半径b＝3.234mm，深度h3＝3mm；第二过渡孔224深度h4＝2.048mm；第二椭圆柱孔225的半长轴a2＝4.259mm，半短轴b2＝3.234mm，深度h5＝13.23mm；第二匹配层24的厚度h6＝1.614mm；在模式转换单元横截面正六边形的边长的前提下，可以由公式计算得到不同位置处第一椭圆柱孔221中心在x-y平面的投影坐标Q(x，y)，将其代入到公式后可以计算得到不同位置处第一椭圆柱孔221长轴与x轴正向的夹角。将微波波长λ＝21.05mm，喇叭天线1圆锥段长度l＝703mm，以及不同位置处第二椭圆柱孔225中心在x-y平面的投影坐标Q(x，y)代入到公式后可以计算得到不同位置处第二椭圆柱孔225长轴与x轴正向的夹角。θ与的具体值不再一一列出。

根据上述参数所设计的频率为14.2GHz的传统喇叭天线的辐射三维方向图如图6所示，注入模式为TE₀₁模，可以看出此时天线的远场方向图为中心为0的环状方向图，该天线并不能直接应用于发射高功率微波。根据上述参数所设计的频率为14.2GHz的新型高功率微波模式转换喇叭天线的辐射效果分别如图7与图8所示，其中图7给出了本发明实施例二的三维方向图，从图7可以看出在中心频率14.2GHz处本发明的远场方向图为实心波束；图8给出了本发明实施例的二维方向图，其中横坐标θ'与图7保持一致，表示的是波束的俯仰角度，表示的是波束沿圆周方向的方位角度，纵坐标为天线的增益，图中给出了及时的天线增益随θ'的变化曲线，可以看到在θ'＝0^°处，天线增益最大，可以达到30.9dBi。

在其它频点，传统喇叭天线与本发明中模式转换透镜结合后均可以达到图7与图8所示的实施效果，即实现实心的辐射方向图。

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，因此所有等同的技术方案也属于本发明的保护范畴。

Claims (7)

1.一种高功率微波模式转换喇叭天线，其特征在于高功率微波模式转换喇叭天线由喇叭天线(1)、模式转换透镜(2)两部分构成，喇叭天线(1)是圆锥喇叭形状，一端通过第一法兰盘(11)与微波源相连作为输入端口，另一端通过第二法兰盘(13)与模式转换透镜(2)焊接；定义喇叭天线(1)、模式转换透镜(2)靠近微波源的一端为输入端，远离微波源的一端为输出端；喇叭天线(1)与模式转换透镜(2)共轴；

喇叭天线(1)由第一法兰盘(11)，天线主体(12)，第二法兰盘(13)构成，均为金属材料制成；第一法兰盘(11)焊接在天线主体(12)靠近微波源端的外壁上，第二法兰盘(13)焊接在天线主体(12)远离微波源端的外壁上；第一法兰盘(11)呈圆环状，其外直径为D1，内直径为D2，圆环厚度即轴向长度为t1；天线主体(12)由一段圆波导和一段圆锥波导构成，其中圆波导形状为一个圆筒，内直径为D2，轴向长度为t2，波导壁厚s；圆锥波导靠近微波源端内直径为D2，远离微波源端内直径为D3，轴向长度为l，波导壁厚s；第二法兰盘(13)呈圆环状，其外直径为D4，内直径为D3，圆环厚度为t1；喇叭天线(1)的第一法兰盘(11)与微波源相连，作为输入端；

从靠近微波源端到远离微波源端模式转换透镜(2)依次由第一匹配层(21)，金属圆盘(22)，填充介质(23)，第二匹配层(24)构成；第一匹配层(21)，填充介质(23)，第二匹配层(24)采用环氧树脂制成；第一匹配层(21)为圆盘状，其输入端的那一面与喇叭天线(1)的第二法兰盘(13)的输出端面紧贴，其输出端的那一面覆盖在金属圆盘(22)的输入端表面，第一匹配层(21)的直径为D4，厚度为h0；金属圆盘(22)输入端的那一面覆盖有第一匹配层(21)，输出端的那一面紧贴第二匹配层(24)；金属圆盘(22)直径为D4，金属圆盘(22)由多个呈蜂窝状排列的模式转换单元组合而成，每个模式转换单元的横截面为正六边形，正六边形的边长为d，从金属圆盘(22)的横截面来看，各正六边形紧密排列成一个直径为D4的圆形，即各正六边形紧密排列成一个蜂窝状阵列，每个正六边形在蜂窝状阵列中所处列数用p表示，所处行数用q表示，定义阵列中心的正六边形位于第0行第0列，阵列中心上侧正六边形所处行数为正、下侧正六边形所处行数为负，阵列中心右侧正六边形所处列数为正、左侧正六边形所处列数为负；模式转换单元是通过在横截面为正六边形的棱柱体内部打有5个孔形成，5个孔从靠近微波源端到远离微波源端依次为第一椭圆柱孔(221)，第一过渡孔(222)，圆柱形孔(223)，第二过渡孔(224)，第二椭圆柱孔(225)；第一椭圆柱孔(221)、圆柱形孔(223)和第二椭圆柱孔(225)的中心位于棱柱体的轴线上；第一椭圆柱孔(221)的半长轴为a1，半短轴为b1，深度为h1；圆柱形孔(223)的半径为b，深度为h3；第二椭圆柱孔(225)的半长轴为a2，半短轴为b2，深度为h5；第一过渡孔(222)靠近输入端的一端为椭圆形，靠近输出端的一端为圆形，第一过渡孔(222)将第一椭圆柱孔(221)逐渐过渡并连接至圆柱形孔(223)，深度为h2；第二过渡孔(224)靠近输入端的一端为圆形，靠近输出端的一端为椭圆形，第二过渡孔(224)将圆柱形孔(223)逐渐过渡并连接至第二椭圆柱孔(225)，深度为h4；设定金属圆盘(22)的中心处为坐标原点，建立x-y固定坐标系，所有模式转换单元的第一椭圆柱孔(221)中心与第二椭圆柱孔(225)中心在x-y平面的投影均用坐标Q(x，y)表示，Q(x，y)根据正六边形的边长为d确定；令第一椭圆柱孔(221)长轴与x轴正向的夹角为θ，第二椭圆柱孔(225)长轴与x轴正向的夹角为第一椭圆柱孔(221)的长轴与第二椭圆柱孔(225)的长轴之间的相对夹角为该值随着第一椭圆柱孔(221)与第二椭圆柱孔(225)位置的不同而变化；填充介质(23)均匀填充在所有模式转换单元的第一椭圆柱孔(221)、第一过渡孔(222)、圆柱形孔(223)、第二过渡孔(224)和第二椭圆柱孔(225)中，并保持与这5个孔孔壁的紧密贴合；第二匹配层(24)为圆盘状，一面与金属圆盘(22)紧密贴合，另一面即为高功率微波模式转换喇叭天线的输出端，第二匹配层(24)的直径为D4，厚度为h6。

2.如权利要求1所述的高功率微波模式转换喇叭天线，其特征在于所述环氧树脂的相对介电常数为4。

3.如权利要求1所述的高功率微波模式转换喇叭天线，其特征在于所述模式转换单元的正六边形的边长第一椭圆柱孔(221)内满足椭圆波导TEc₁₁单模传输条件，且离心率小于0.855，有其中ε为孔内填充介质的相对介电常数，c为真空中的光速，f为微波频率；圆柱形孔(223)内满足圆波导TE₁₁模传输条件，有第二椭圆柱孔(225)内也需满足椭圆波导TEc₁₁单模传输条件，且离心率小于0.855，有

4.如权利要求1所述的高功率微波模式转换喇叭天线，其特征在于所述第一椭圆柱孔(221)长轴与x轴正向的夹角x为Q(x，y)的横坐标，y为Q(x，y)的纵坐标，且d为正六边形的边长，p表示模式转换单元在蜂窝状阵列中所处列数，q表示模式转换单元在蜂窝状阵列中所处行数；第二椭圆柱孔(225)长轴与x轴正向的夹角为l为喇叭天线(1)圆锥段轴向长度，λ为微波在自由空间中的波长，且有c为真空中的光速，f为微波频率。

5.如权利要求1所述的高功率微波模式转换喇叭天线，其特征在于所述喇叭天线(1)的结构参数D2、D3、t2和l满足D3>D2>0,，t2>0，l>0，这些参数给定微波频率后，在使得喇叭天线的辐射效率超过99％，并且微波在喇叭内以近似球面波传播的条件下，由电磁仿真软件CST Studio Suite优化设计得到D2、D3、t2和l的具体值。

6.如权利要求1所述的高功率微波模式转换喇叭天线，其特征在于所述第一法兰盘(11)的结构参数D1、t1，第二法兰盘(13)的结构参数D4、t1满足D4>D1>0，t1>0。

7.如权利要求1所述的高功率微波模式转换喇叭天线，其特征在于通过电磁仿真软件CST Studio Suite，在满足 h0>0，h1>0，h2>0，h3>0，h4>0，h5>0，h6>0，D3>D2>0，t2>0，l>0，D4>D1>0，t1>0，s＞0的条件下，设定天线辐射效率大于99％，获得参数D1、D2、D3、D4、t1、t2、l、a1、b1、a2、b2、b、d、h0、h1、h2、h3、h4、h5和h6的精确值，s取3-5mm。