CN107645052B - 高功率微波连续横向枝节缝隙径向线天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高功率微波连续横向枝节缝隙径向线天线，目的是解决目前高功率微波天线紧凑化程度不高，功率容量有限并且在高频段应用困难等问题。本发明由同轴波导、径向线漏波波导、法兰盘、天线罩构成；同轴波导、径向线漏波波导、法兰盘、天线罩按从输入到输出的顺序共轴相连；径向线漏波波导由径向线底板、径向线中板、短路圆柱、缝隙阵列口面、波导壁构成，缝隙阵列口面上开有沿圆周方向均匀排列的胶囊型缝隙，相邻缝隙之间加入圆环状凸字形台阶构成辐射枝节。本发明可有效改善天线的辐射特性，获得较高的增益和良好的口面电场分布，有效抑制缝隙阵列栅瓣的产生，功率容量高，可应用于高频段的高功率微波辐射系统中。

Description

高功率微波连续横向枝节缝隙径向线天线

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天线。

背景技术

高功率微波(High-Power-Microwave，缩写为HPM)一般是指频率在300MHz到300GHz、峰值功率大于100MW或平均功率大于1MW的强电磁辐射。高功率微波的应用多种多样，主要包括：高功率脉冲雷达，应用于宽频带下精确分辨目标；高能粒子射频加速器，应用于高能物理、核物理研究；基于电子回旋共振机制对受控热核等离子体进行加热及高功率微波武器等领域。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(频率均在12GHZ以下)，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(频段范围为12～18GHz)等高频紧凑型的高功率微波辐射系统显得愈发迫切。

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，以微带天线和缝隙天线两种形式为主。在传统Ku波段天线的发展过程中，工程上常用微带贴片形式或波导缝隙形式的天线阵来实现低后瓣、低旁瓣、中等增益等性能的天线设计。但是在微波毫米波系统中，传统微带天线较难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，微带结构所产生的损耗都比较大，特别是工作在毫米波或更高频率的系统中。而波导缝隙天线具有主瓣宽度较窄、方向图可以赋形、交叉极化电平较低等优异特性；与微带贴片天线阵相比，波导缝隙天线还有损耗低的优点。此外，由于这种天线加工简单、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。

由于现有的Ku波段辐射天线损耗较大，功率容量较低，不能满足高功率微波的应用需求，如何设计一种新型的可以应用于Ku波段的高功率微波辐射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连续横向枝节缝隙径向线天线，其结构紧凑，输入输出共轴，具有较高的功率容量和增益，解决目前高功率微波天线紧凑化程度不高，功率容量有限并且在高频段应用困难等问题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

本发明由同轴波导、径向线漏波波导、法兰盘、天线罩四部分构成。定义同轴波导、径向线漏波波导、法兰盘、天线罩靠近微波源的一端为输入端，远离微波源的一端为输出端；同轴波导、径向线漏波波导、法兰盘、天线罩按从输入到输出的顺序共轴相连；同轴波导一端与微波源相连作为高功率微波连续横向枝节缝隙径向线天线的输入端口，另一端与径向线漏波波导的中心相连；径向线漏波波导的输入端中心与同轴波导相连，径向线漏波波导的输出端与法兰盘的输入端焊接在一起；法兰盘的输入端焊接在径向线漏波波导的输出端上，法兰盘的输出端通过螺钉与天线罩连接固定。

同轴波导由外导体和内导体构成，均为金属材料制成；径向线漏波波导由径向线底板，径向线中板，短路圆柱，缝隙阵列口面，波导壁构成，也均为金属材料制成；径向线底板为圆环形，径向线中板、缝隙阵列口面为圆盘形，按从输入到输出的顺序平行排列，径向线底板、缝隙阵列口面与波导壁共同围成一个圆柱形腔，径向线中板位于圆柱形腔的中心；在径向线中板与缝隙阵列口面中心处，与两者圆盘面垂直方向采用短路圆柱将两者进行连接；外导体和内导体的输入端与微波源相连；内导体为实心圆柱，其直径为D1，高度为H1+H2；外导体为空心圆筒，其内直径为D2，高度为H1，圆筒壁厚为s；内导体同轴嵌套于外导体内部，内导体输出端与径向线中板相连，并在连接处倒圆角，倒角半径为R2；径向线底板为中心开通孔的金属圆环，径向线底板的外直径为D6，中心通孔的直径与外导体的内直径相同，也为D2，径向线底板的中心通孔与外导体的输出端焊接在一起，并在中心通孔与外导体焊接处的内部边缘倒圆角，倒角半径为R1；波导壁为金属圆环，波导壁外直径为D6，内直径为D4，高度为H7；径向线底板靠近输出端的表面与波导壁靠近输入端的表面相连，波导壁靠近输出端表面与缝隙阵列口面靠近输入端的表面相连；缝隙阵列口面上开有多个缝隙以辐射微波，缝隙阵列口面的直径为D6，厚度等于其上缝隙深度s1，其靠近输入端的表面与波导壁靠近输出端表面相连，输出端面上焊接法兰；在径向线底板与波导壁的连接处内侧以及缝隙阵列口面与波导壁连接处内侧倒圆角，倒角半径均为R4；径向线中板直径为D3，厚度为H3；径向线中板的边缘倒圆角，倒角半径为R3；径向线中板靠近输入端表面到径向线底板靠近输出端表面的距离为H2，径向线中板靠近输出端表面到缝隙阵列口面靠近输入端表面的距离为H4；短路圆柱的输入端与径向线中板靠近输出端的表面相连，短路圆柱的输出端与缝隙阵列口面靠近输入端的表面相连；短路圆柱、径向线中板以及缝隙阵列口面同轴；短路圆柱的直径为D7，高度为H4。

法兰盘为圆环状，采用金属材料制成，其外直径为D6，内直径为D5，高度为H5。法兰盘的一端焊接在缝隙阵列口面上，另一端通过螺钉与天线罩固定连接；天线罩为圆盘状，采用聚四氟乙烯制成，天线罩的直径为D6，厚度为H6，天线罩通过螺钉与法兰盘固定连接。

缝隙阵列口面上开的缝隙是沿圆周方向均匀排列的胶囊型缝隙，相邻缝隙之间加入圆环状凸字形台阶构成辐射枝节；缝隙共有N圈，N为缝隙圈数，N为正整数，N的取值范围一般为10≤N≤17。最里圈缝隙中心即缝隙单元径向的中心距离缝隙阵列口面中心的距离为ρ₁，相邻缝隙的中心间距均为d，最里圈缝隙为第1圈，第n圈缝隙的宽度用w_n表示，第n圈缝隙中心到缝隙阵列口面中心的距离为ρ_n，且ρ_n＝ρ_n-1+d，2＜n＜N；第n圈缝隙的一个胶囊的中心处弧长为l1+w_n，l1为常量，缝隙的深度为s1；凸字型台阶有3级子台阶，每级子台阶的高度均为s1，最里圈凸字形台阶顶部宽度为s3，其余台阶宽度均为s2，凸字型台阶以及缝隙边缘倒圆角，倒角半径均为R5。

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、同轴波导的参数D1、D2需满足同轴波导中TE₁₁模式的传播条件，即

λ₀为输入微波在自由空间波长，

其中c为真空中光速，f为输入微波的频率。且D2>D1>0，H2>H1>0。

2、同轴波导外导体11与径向线底板中心通孔连接处的倒角半径R1，以及同轴波导内导体与径向线中板连接处的倒角半径R2应满足微波无耗传输条件，且R1>0，R2>0。具体应用时，R1和R2由电磁仿真软件CST Studio Suit优化设计。

3、径向线漏波波导的波导壁的外直径D6，内直径D4，内壁倒角半径R4，高度H7以及径向线中板的直径D3，高度H3，边缘倒角半径R3，需要满足微波无耗传输条件，并根据具体应用确定D6，同时还需满足功率容量的需求，并且有D6>D4>D3>0，R4>R3>0。通常情况下H2＝H4>0、H3>0、H7＝H2+H3+H4，具体应用时，D6、D4、D3、R4、R3、H2、H3和H4由电磁仿真软件CSTStudio Suit优化设计。

4、缝隙阵列口面的各圈缝隙中心间距d应满足驻波天线工作条件，即d＝λ₀。最里圈缝隙距离缝隙阵列口面中心的距离ρ₁根据实际需要确定取值，但该值既不能太小又不能太大，太小会导致最里圈缝隙过窄，从而引起场击穿，造成功率容量较低；过大会导致天线口面利用率降低，造成口径效率下降，一般λ₀/2＜ρ₁＜λ₀。

5、第n圈缝隙的宽度w_n由天线口面的电场分布确定，当天线口面的电场分布满足均匀分布时，第n圈缝隙的归一化等效电阻r_n应满足

其中ρ_n为第n圈缝隙中心到缝隙阵列口面中心的距离，且ρ_n＝ρ_n-1+d，2＜n＜N，N代表总共有几圈缝隙，N的取值范围一般为10≤N≤17。而缝隙的宽度w_n与等效电阻r_n的数学关系可以通过电磁仿真软件CSTStudio Suit仿真得到(缝隙形状确定后，缝隙的宽度w_n与等效电阻r_n的一定有一个唯一对应的数学关系)，当确定ρ₁和缝隙的总圈数N后，第n圈缝隙中心到天线轴心的距离ρ_n也唯一确定，从而第n圈缝隙的归一化等效电阻r_n可以计算获得，进而可以得到第n圈缝隙的宽度w_n。

6、第n圈缝隙的一个胶囊的中心处的弧长l1+w_n以及缝隙深度s1及其对应的凸字形台阶的参数s2需满足缝隙谐振条件，即有l1≈λ₀/2，

台阶及缝隙边缘倒角半径R5>0。具体应用时，l1为常量、s1、s2、s3和R5还需由电磁仿真软件CST Studio Suit优化设计。

7、短路圆柱的直径D7应满足驻波场叠加条件，即满足D7＝2ρ₁-λ₀，且D7>0，具体应用时，D7还需由电磁仿真软件CST Studio Suit优化设计。

8、法兰盘的内直径D5、高度H5根据实际需要确定，且有D6>D5>0，H5>2λ₀，天线罩的厚度H6应为λ/2的整数倍，其中λ为微波经过天线罩时的波导波长，且有

得到

(m为正整数)，其中ε_r为天线罩介质材料的相对介电常数，天线罩采用聚四氟乙烯时，ε_r＝2.55，具体应用时，H6还需由电磁仿真软件CST Studio Suit优化设计。

通过电磁仿真软件CST Studio Suit，在满足D6>D5>D4>D3>D2>D1>0，D7＝2ρ₁-λ₀，且D7>0，

(D1+D2)，R1>0，R2>0，R4>R3>0，R5>0，H2＝H4>0，H1>0，H3>0，H5>0，

(m为正整数)，H7＝H2+H3+H4，l1≈λ₀/2，

λ_o/2＜ρ₁＜λ₀，w_n＞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、D5、D6、R1、R2、R3、R4、R5、H1、H2、H3、H4、H5、H6、H7、ρ₁、l1、s1、s2、s3、w_n的精确值，s一般取3-5mm。

本发明的工作过程为：高功率微波源输出的TEM模式或者TM₀₁模式经过现有的模式转换技术转换后，可以转变为同轴波导圆极化TE₁₁模式，该模式输入到高功率微波连续横向枝节缝隙径向线天线的同轴波导中，在径向线中板下层微波沿径向向外传输，经径向线中板折叠转换后，在径向线中板上层实现微波沿径向向内传输。缝隙阵列口面沿圆周均匀分布的“胶囊型”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。缝隙阵列口面的相邻缝隙之间的凸字形台阶可以有效改善天线的整体辐射性能，获得较高的增益和良好的口面电场分布。相邻圈数缝隙的径向中心间距为一个波导波长，使得天线工作在驻波状态，天线的波束指向垂直缝隙阵列口面，天线整体有较高的辐射效率。同一圈内“胶囊型”缝隙单元的沿圆周方向的中心距小于一个波导波长，有效的抑制了缝隙阵列栅瓣的产生。

与现有技术相比，采用本发明可以达到以下技术效果：

1.本发明在缝隙阵列口面的相邻缝隙之间加入凸字形台阶，可以有效的改善天线的辐射特性，获得较高的增益和良好的口面电场分布。

2.本发明同一圈内“胶囊型”缝隙单元的中心距小于一个波导波长，有效的抑制了缝隙阵列栅瓣的产生。

3.本发明缝隙单元结构与凸字形台阶的结合以及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和增益，可以应用于高频段的高功率微波辐射系统中。

4.本发明结构紧凑，输入输出共轴。

附图说明

图1是本发明高功率微波连续横向枝节缝隙径向线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是图2中缝隙阵列口面24的俯视图以及局部放大视图。

图5是图4沿BB’平面的剖视图以及局部放大视图。

图6是本发明缝隙阵列口面24中缝隙单元的结构视图以及局部放大视图。

图7是本发明实施例的三维方向图。

图8是本发明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连续横向枝节缝隙径向线天线的总体结构示意图；如图1所示，本发明由同轴波导1、径向线漏波波导2、法兰盘3、天线罩4四部分构成。定义同轴波导1、径向线漏波波导2、法兰盘3、天线罩4靠近微波源的一端为输入端，远离微波源的一端为输出端。同轴波导1、径向线漏波波导2、法兰盘3、天线罩4按从输入到输出的顺序共轴相连。同轴波导1一端与微波源相连作为高功率微波连续横向枝节缝隙径向线天线的输入端口，另一端与径向线漏波波导2的中心相连；径向线漏波波导2的输入端中心与同轴波导1相连，径向线漏波波导2的输出端与法兰盘3的输入端焊接在一起；法兰盘3的输入端焊接在径向线漏波波导2的输出端上，法兰盘3的输出端通过螺钉与天线罩4连接固定。

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，同轴波导1由外导体11和内导体12构成，均为金属材料制成。径向线漏波波导2由径向线底板21，径向线中板22，短路圆柱23，缝隙阵列口面24、波导壁25构成，也均为金属材料制成。径向线底板21为圆环形，径向线中板22、缝隙阵列口面24为圆盘形，按从输入到输出的顺序平行排列，径向线底板21、缝隙阵列口面24与波导壁25共同围成一个圆柱形腔，径向线中板22位于圆柱形腔的中心(径向线底板21，缝隙阵列口面24均沿水平方向平行，径向线中板22距径向线底板21和距缝隙阵列口面24的垂直距离相等)。在径向线中板22与缝隙阵列口面24中心处，与两者圆盘面垂直方向采用短路圆柱23将两者进行连接。同轴波导1的输入端(即外导体11和内导体12的输入端)与微波源相连。内导体12为实心圆柱，其直径为D1，高度为H1+H2；外导体11为空心圆筒，其内直径为D2，高度为H1，圆筒壁厚为s。内导体12同轴嵌套于外导体11内部，内导体12输出端与径向线中板22相连，并在连接处倒圆角，倒角半径为R2；外导体11的输出端与径向线底板21的中心相连。径向线底板21为中心开通孔的金属圆环，径向线底板21的外直径为D6，中心通孔的直径与外导体11的内直径相同，也为D2，径向线底板21的中心通孔与外导体11的输出端焊接在一起，并在中心通孔与外导体11焊接处的内部边缘倒圆角，倒角半径为R1。波导壁25为金属圆环，波导壁25外直径为D6，内直径为D4，高度为H7；径向线底板21靠近输出端的表面与波导壁25靠近输入端的表面相连，波导壁25靠近输出端表面与缝隙阵列口面24靠近输入端的表面相连。缝隙阵列口面24上开有多个缝隙以辐射微波，缝隙阵列口面24的直径为D6，厚度为s1，其靠近输入端的表面与波导壁25靠近输出端表面相连，输出端面上焊接法兰3。在径向线底板21与波导壁25的连接处内侧以及缝隙阵列口面24与波导壁25连接处内侧倒圆角，倒角半径均为R4。径向线中板22直径为D3，厚度为H3；径向线中板22的边缘倒圆角，倒角半径为R3。径向线中板22靠近输入端表面到径向线底板21靠近输出端表面的距离为H2，径向线中板22靠近输出端表面到缝隙阵列口面24靠近输入端表面的距离为H4。短路圆柱23的输入端与径向线中板22靠近输出端的表面相连，短路圆柱23的输出端与缝隙阵列口面24靠近输入端的表面相连。短路圆柱23、径向线中板22以及缝隙阵列口面24同轴。短路圆柱23的直径为D7，高度为H4。

如图1和图3所示，法兰盘3为圆环状，采用金属材料制成，其外直径为D6，内直径为D5，高度为H5。法兰盘3的一端焊接在缝隙阵列口面24上，另一端通过螺钉与天线罩4固定连接。天线罩4为圆盘状，采用聚四氟乙烯制成，其相对介电常数为2.55，天线罩4的直径为D6，厚度为H6，天线罩4通过螺钉与法兰盘3固定连接。

图4是本发明缝隙阵列口面24的俯视图，图4(a)是本发明缝隙阵列口面24的俯视图，图4(b)是图4(a)I处的放大视图；图5是图4沿BB’平面的正视剖视图以及局部放大视图，图5(b)是图4沿BB’平面的剖视图，图5(a)是图5(b)II处的放大视图。图6是本发明缝隙阵列口面24中缝隙单元的结构视图以及局部放大视图，图6(a)是缝隙阵列口面24中缝隙单元的结构视图，图6(b)是图6(a)III处的放大视图，图6(c)是图6(b)IV处的放大视图。如图5、图6所示，缝隙阵列口面24的缝隙是沿圆周方向均匀排列的胶囊型缝隙，相邻胶囊型缝隙的胶囊沿圆周方向的中心间距小于一个微波波长，相邻缝隙之间(指径向)加入圆环状凸字形台阶构成辐射枝节(如图5(b)所示)，以改善天线的辐射性能。缝隙共有N圈(如图6(a)所示，N＝13)，最里圈缝隙中心(指缝隙单元径向的中心)距离缝隙阵列口面24中心的距离为ρ₁，相邻缝隙的中心间距(指径向间距)均为d，最里圈缝隙为第1圈，第n圈缝隙的宽度用w_n表示，第n圈缝隙中心到缝隙阵列口面24中心的距离为ρ_n，且ρ_n＝ρ_n-1+d，2＜n＜N。第n圈缝隙的中心处(指径向的中心)弧长为l1+w_n，l1为常量，大小约为半个波导波长，缝隙的深度为s1。如图5(b)所示，N＝13时，缝隙顶部的凸字型台阶从里到外依次为2401、2402、2403、2404、2405、2406、2407、2408、2409、2410、2411、2412、2413和2414、凸字型台阶有3级子台阶，每级子台阶的高度均为s1(如图5(a)所示)，最里圈凸字形台阶2401顶部宽度为s3，其余台阶宽度均为s2，凸字型台阶以及缝隙边缘倒圆角，倒角半径均为R5。

以国防科大制备的高功率微波连续横向缝隙径向线阵列天线为例：

实施例一

下面给出N＝10，用于12GHz(即输入微波源的频率为12GHz，对应微波波长为25mm)的高功率微波连续横向枝节缝隙径向线天线的一个实施例具体设计尺寸：

在该频率下，同轴波导1的内导体11的直径D1与外导体12的内直径D2应满足

根据实际需要选择D1＝100mm，D2＝119mm，外导体12的长度H1＝60mm，内导体长度为H1+H2＝60+9.5＝69.5mm；根据实际需求选择径向线漏波波导2波导壁25的外直径D6＝560mm，在满足微波在径向线漏波波导2内无耗传输的前提条件下，仿真优化得到外导体11与径向线底板21连接处的倒角半径R1＝3.9mm，内导体12与径向线中板22相连处倒角半径R2＝14.3mm；径向线漏波波导2波导壁25内直径D4＝529.6mm，波导壁内侧倒圆角半径R4＝13.4mm。径向线中板22的直径D3＝510.6mm，厚度H3＝7.8mm，径向线中板22边缘倒圆角半径R3＝3.9mm。径向线中板22靠近输入端表面到径向线底板21靠近输出端表面的距离H2＝9.5mm，径向线中板22靠近输出端表面到缝隙阵列24口面靠近输入端表面的距离H4＝9.5mm。缝隙阵列口面要将微波完全辐射出去，并且其口面电场分布尽可能的均匀，在此条件下，选取N＝10，最里圈缝隙为第1圈，第1圈缝隙中心距离缝隙阵列口面24中心的距离12.50mm＜ρ₁＜25mm，取ρ₁＝18mm，相邻缝隙的中心间距d＝25mm，l1＝12mm，第n圈缝隙的中心处弧长为12mm+w_n，各圈缝隙对应的尺寸参数如表一所示。

表一各圈缝隙对应的尺寸参数

优化后缝隙的深度s1＝6.25mm。缝隙顶部的凸字型台阶从里到外依次为2401、2402、2403、2404、2405、2406、2407、2408、2409、2410、2411、2412、2413和2414，台阶的高度

最里圈凸字形台阶2401顶部宽度为

其余台阶宽度均为

凸字型台阶以及缝隙边缘倒角半径R5＝0.5mm。短路圆柱23的直径D7＝11mm，长度H4＝9.5mm。径向线底板21上表面到缝隙阵列口面24下表面的距离H7＝H2+H3+H4＝9.5+7.8+9.5＝26.8mm。法兰盘3外直径D6＝560mm，内直径D5＝540mm，高度H5＝50mm。天线罩4为圆盘状，采用聚四氟乙烯制成，相对介电常数为ε_r＝2.55。天线罩4的直径D6＝560mm，厚度

(m＝2)。同轴波导1的外导体12的壁厚s＝5mm。

实施例二

下面给出N＝13，用于14.2GHz(即输入微波源的频率为14.2GHz，对应微波波长为21.03mm)的高功率微波连续横向枝节缝隙径向线天线的一个实施例具体设计尺寸：

在该频率下，同轴波导1的内导体11的直径D1＝84mm，外导体12的内直径D2＝100mm，外导体12的长度H1＝60mm，内导体长度为H1+H2＝60+8＝68mm；径向线漏波波导2波导壁25的外直径D6＝600mm，外导体11与径向线底板21连接处的倒角半径R1＝3.28mm，内导体12与径向线中板22相连处倒角半径R2＝12.01mm；径向线漏波波导2波导壁25内直径D4＝572.5mm，波导壁内侧倒圆角半径R4＝11.3mm。径向线中板22的直径D3＝556.5mm，厚度H3＝6.6mm，径向线中板22边缘倒圆角半径R3＝3.3mm。径向线中板22靠近输入端表面到径向线底板21靠近输出端表面的距离H2＝8mm，径向线中板22靠近输出端表面到缝隙阵列24口面靠近输入端表面的距离H4＝8mm。选取N＝13，最里圈缝隙为第1圈，第1圈缝隙中心距离天线轴线的距离取ρ₁＝18.03mm，相邻缝隙的中心间距d＝21.03mm，l1＝10mm，第n圈缝隙的中心处弧长为10mm+w_n，各圈缝隙对应的尺寸参数如表二所示。

表二各圈缝隙对应的尺寸参数

优化后缝隙的深度s1＝5.2mm。缝隙顶部的凸字型台阶的高度s1＝5.2mm，最里圈凸字形台阶顶部宽度为s3＝19.24mm，其余台阶宽度均为s2＝4.206mm，凸字型台阶以及缝隙边缘倒角半径R5＝0.5mm。短路圆柱23的直径D7＝16.03mm，长度H4＝8mm。径向线底板21上表面到缝隙阵列口面24下表面的距离H7＝22.6mm。法兰盘3外直径D6＝600mm，内直径D5＝580mm，高度H5＝50mm。天线罩4为圆盘状，采用聚四氟乙烯制成，相对介电常数为ε_r＝2.55。天线罩4的直径D6＝560mm，厚度

(m＝2)。同轴波导1的外导体12的壁厚s＝5mm。

实施例三

下面给出N＝17，用于18GHz(即输入微波源的频率为18GHz，对应微波波长为16.7mm)的高功率微波连续横向枝节缝隙径向线天线的一个实施例具体设计尺寸：

在该频率下，同轴波导1的内导体11的直径D1＝66.7mm，外导体12的内直径D2＝79.3mm，外导体12的长度H1＝60mm，内导体长度为H1+H2＝60+6.3＝66.3mm；径向线漏波波导2波导壁25的外直径D6＝600mm，外导体11与径向线底板21连接处的倒角半径R1＝2.6mm，内导体12与径向线中板22相连处倒角半径R2＝9.5mm；径向线漏波波导2波导壁25内直径D4＝589.5mm，波导壁内侧倒圆角半径R4＝8.9mm。径向线中板22的直径D3＝580mm，厚度H3＝5.2mm，径向线中板22边缘倒圆角半径R3＝2.6mm。径向线中板22靠近输入端表面到径向线底板21靠近输出端表面的距离H2＝6.3mm，径向线中板22靠近输出端表面到缝隙阵列24口面靠近输入端表面的距离H4＝6.3mm。选取N＝13，最里圈缝隙为第1圈，第1圈缝隙中心距离天线轴线的距离取ρ₁＝14.7mm，相邻缝隙的中心间距d＝16.7mm，l1＝8mm，第n圈缝隙的中心处弧长为8mm+w_n，各圈缝隙对应的尺寸参数如表三所示。

表三各圈缝隙对应的尺寸参数

优化后缝隙的深度s1＝4.16mm。缝隙顶部的凸字型台阶的高度s1＝4.16mm，最里圈凸字形台阶顶部宽度为s3＝14.64mm，其余台阶宽度均为s2＝3.33mm，凸字型台阶以及缝隙边缘倒角半径R5＝0.5mm。短路圆柱23的直径D7＝11.3mm，长度H4＝6.3mm。径向线底板21上表面到缝隙阵列口面24下表面的距离H7＝17.8mm。法兰盘3外直径D6＝600mm，内直径D5＝580mm，高度H5＝50mm。天线罩4为圆盘状，采用聚四氟乙烯制成，相对介电常数为ε_r＝2.55。天线罩4的直径D6＝600mm，厚度

(m＝2)。同轴波导1的外导体12的壁厚s＝5mm。

根据上述参数所设计的频率为14.2GHz的高功率微波连续横向枝节缝隙径向线天线的辐射性能分别如图7与图8所示，其中图7给出了本发明实施例的三维方向图，从图7中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35dBi。

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 (11)

1.一种高功率微波连续横向枝节缝隙径向线天线，其特征在于高功率微波连续横向枝节缝隙径向线天线由同轴波导(1)、径向线漏波波导(2)、法兰盘(3)、天线罩(4)四部分构成；定义同轴波导(1)、径向线漏波波导(2)、法兰盘(3)、天线罩(4)靠近微波源的一端为输入端，远离微波源的一端为输出端；同轴波导(1)、径向线漏波波导(2)、法兰盘(3)、天线罩(4)按从输入到输出的顺序共轴相连；同轴波导(1)一端与微波源相连作为高功率微波连续横向枝节缝隙径向线天线的输入端口，另一端与径向线漏波波导(2)的中心相连；径向线漏波波导(2)的输入端中心与同轴波导(1)相连，径向线漏波波导(2)的输出端与法兰盘(3)的输入端焊接在一起；法兰盘(3)的输入端焊接在径向线漏波波导(2)的输出端上，法兰盘(3)的输出端通过螺钉与天线罩(4)连接固定；

同轴波导(1)由外导体(11)和内导体(12)构成，均为金属材料制成；径向线漏波波导(2)由径向线底板(21)，径向线中板(22)，短路圆柱(23)，缝隙阵列口面(24)、波导壁(25)构成，也均为金属材料制成；径向线底板(21)为圆环形，径向线中板(22)、缝隙阵列口面(24)为圆盘形，按从输入到输出的顺序平行排列，径向线底板(21)、缝隙阵列口面(24)与波导壁(25)共同围成一个圆柱形腔，径向线中板(22)位于圆柱形腔的中心；在径向线中板(22)与缝隙阵列口面(24)中心处，与两者圆盘面垂直方向采用短路圆柱(23)将两者进行连接；外导体(11)和内导体(12)的输入端与微波源相连；内导体(12)为实心圆柱，其直径为D1，高度为H1+H2；外导体(11)为空心圆筒，其内直径为D2，高度为H1，圆筒壁厚为s；内导体(12)同轴嵌套于外导体(11)内部，内导体(12)输出端与径向线中板(22)相连，并在连接处倒圆角，倒角半径为R2；径向线底板(21)为中心开通孔的金属圆环，径向线底板(21)的外直径为D6，中心通孔的直径与外导体(11)的内直径相同，也为D2，径向线底板(21)的中心通孔与外导体(11)的输出端焊接在一起，并在中心通孔与外导体(11)焊接处的内部边缘倒圆角，倒角半径为R1；波导壁(25)为金属圆环，波导壁(25)外直径为D6，内直径为D4，高度为H7；径向线底板(21)靠近输出端的表面与波导壁(25)靠近输入端的表面相连，波导壁(25)靠近输出端表面与缝隙阵列口面(24)靠近输入端的表面相连；缝隙阵列口面(24)上开有多个缝隙以辐射微波，缝隙阵列口面(24)的直径为D6，厚度等于缝隙的深度s1，其靠近输入端的表面与波导壁(25)靠近输出端表面相连，输出端面上焊接法兰(3)；在径向线底板(21)与波导壁(25)的连接处内侧以及缝隙阵列口面(24)与波导壁(25)连接处内侧倒圆角，倒角半径均为R4；径向线中板(22)直径为D3，厚度为H3；径向线中板(22)的边缘倒圆角，倒角半径为R3；径向线中板(22)靠近输入端表面到径向线底板(21)靠近输出端表面的距离为H2，径向线中板(22)靠近输出端表面到缝隙阵列口面(24)靠近输入端表面的距离为H4；短路圆柱(23)的输入端与径向线中板(22)靠近输出端的表面相连，短路圆柱(23)的输出端与缝隙阵列口面(24)靠近输入端的表面相连；短路圆柱(23)、径向线中板(22)以及缝隙阵列口面(24)同轴；短路圆柱(23)的直径为D7，高度为H4；

法兰盘(3)为圆环状，采用金属材料制成，其外直径为D6，内直径为D5，高度为H5；法兰盘(3)的一端焊接在缝隙阵列口面(24)上，另一端通过螺钉与天线罩(4)固定连接；

天线罩(4)为圆盘状，采用聚四氟乙烯制成，天线罩(4)的直径为D6，厚度为H6，天线罩(4)通过螺钉与法兰盘(3)固定连接；

缝隙阵列口面(24)上开的缝隙是沿圆周方向均匀排列的胶囊型缝隙，相邻缝隙之间加入圆环状凸字形台阶构成辐射枝节；缝隙共有N圈，N为缝隙圈数，N为正整数；最里圈缝隙中心即缝隙单元径向的中心距离缝隙阵列口面(24)中心的距离为ρ₁，相邻缝隙的中心间距均为d，最里圈缝隙为第1圈，第n圈缝隙的宽度用w_n表示，第n圈缝隙中心到缝隙阵列口面(24)中心的距离为ρ_n，且ρ_n＝ρ_n-1+d,2<n<N；第n圈缝隙的一个胶囊的中心处弧长为l1+w_n，l1为常量，缝隙的深度为s1；凸字型台阶有3级子台阶，每级子台阶的高度均为s1，最里圈凸字形台阶顶部宽度为s3，其余台阶宽度均为s2，凸字型台阶以及缝隙边缘倒圆角，倒角半径均为R5。

2.如权利要求1所述的高功率微波连续横向枝节缝隙径向线天线，其特征在于所述天线罩(4)采用的聚四氟乙烯的相对介电常数为2.55。

3.如权利要求1所述的高功率微波连续横向枝节缝隙径向线天线，其特征在于所述同轴波导(1)的参数D1、D2需满足同轴波导中TE₁₁模式的传播条件，即

λ₀为输入微波在自由空间波长，

其中c为真空中光速，f为输入微波的频率,且D2>D1>0，H2>H1>0。

4.如权利要求1所述的高功率微波连续横向枝节缝隙径向线天线，其特征在于倒角半径R1和倒角半径R2满足微波无耗传输条件，且R1>0，R2>0。

5.如权利要求1所述的高功率微波连续横向枝节缝隙径向线天线，其特征在于径向线漏波波导(2)的波导壁(25)外直径D6，内直径D4，内壁倒角半径R4，高度H7以及径向线中板(22)的直径D3，高度H3，边缘倒角半径R3，满足微波无耗传输条件，并根据具体应用确定D6，同时满足功率容量的需求，并且有D6>D4>D3>0，R4>R3>0，H2＝H4>0、H3>0、H7＝H2+H3+H4。

6.如权利要求1所述的高功率微波连续横向枝节缝隙径向线天线，其特征在于缝隙阵列口面(24)的各圈缝隙中心间距d满足驻波天线工作条件，即d＝λ₀，λ₀为输入微波在自由空间波长；最里圈缝隙距离缝隙阵列口面(24)中心的距离ρ₁满足λ₀/2<ρ₁<λ₀；第n圈缝隙的宽度w_n由天线口面的电场分布确定，当天线口面的电场分布满足均匀分布时，通过电磁仿真软件CST Studio Suite仿真得到w_n与第n圈缝隙的归一化等效电阻r_n的数学关系，当ρ₁和N确定后，ρ_n也唯一确定，从而r_n通过公式

计算获得，进而得到w_n；第n圈缝隙的一个胶囊的中心处弧长l1+w_n以及缝隙深度s1及其对应的凸字形台阶的参数s2满足缝隙谐振条件，即有l1≈λ₀/2，

台阶及缝隙边缘倒角半径R5>0。

7.如权利要求1所述的高功率微波连续横向枝节缝隙径向线天线，其特征在于相邻胶囊型缝隙的胶囊沿圆周方向的中心间距小于一个微波波长，所述缝隙圈数N的取值范围为10≤N≤17。

8.如权利要求1所述的高功率微波连续横向枝节缝隙径向线天线，其特征在于所述短路圆柱(23)的直径D7应满足驻波场叠加条件，即满足D7＝2ρ₁-λ₀，且D7>0，λ₀为输入微波在自由空间波长。

9.如权利要求1所述的高功率微波连续横向枝节缝隙径向线天线，其特征在于所述法兰盘(3)的内直径D5、高度H5满足D6>D5>0，H5>2λ₀，λ₀为输入微波在自由空间波长。

10.如权利要求1所述的高功率微波连续横向枝节缝隙径向线天线，其特征在于所述天线罩(4)的厚度

m为正整数，c为真空中光速，f为输入微波的频率，ε_r为天线罩介质材料的相对介电常数。

11.如权利要求1所述的高功率微波连续横向枝节缝隙径向线天线，其特征在于通过电磁仿真软件CST Studio Suite，在满足D6>D5>D4>D3>D2>D1>0，D7＝2ρ₁-λ₀，且D7>0，

R1>0，R2>0，R4>R3>0，R5>0，H2＝H4>0，H1>0，H3>0，H5>0，

m为正整数，H7＝H2+H3+H4，l1≈λ₀/2，

λ_o/2<ρ₁<λ₀，w_n>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、D5、D6、R1、R2、R3、R4、R5、H1、H2、H3、H4、H5、H6、H7、ρ₁、l1、s1、s2、s3、w_n的精确值，s取3-5mm，λ₀为输入微波在自由空间波长。

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