CN107706526B - 高功率埋入式极化转换天线罩 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及高功率微波技术领域，特别是高功率微波辐射天线系统。本发明公开了一种高功率埋入式极化转换天线罩，所述天线罩包括介质层和导电层，其特征在于，所述导电层封闭在两层介质层之间，不与外界接触，以提高天线罩功能容量，所述导电层由导电材料构成的图案组成，所述图案在平面上的分布具有二维周期性，通过调整介质层参数和/或图案参数实现极化转换。本发明采用埋入式结构，避免金属层与空气或真空接触，有效提高极化转换天线罩功率容量。在天线罩位置实现极化转换，基本上不会增加天线系统体积，具有结构简单紧凑，适用于功率大于等于100MW的高功率条件下圆极化‑线极化相互转换的应用场景。

Description

高功率埋入式极化转换天线罩
技术领域
本发明涉及高功率微波技术领域，特别是高功率微波辐射天线系统，具体涉及一种高功率极化转换天线罩。
背景技术
极化特性是天线的核心参数之一，有些实际应用上需要天线同时或分时工作在多种极化状态，极化转换器由此产生。极化转换器可以大致分为两类，一类是在馈源和天线之间添加波导移相器，完成极化转换后馈入天线辐射出线极化波或圆极化波；另一类是不改变馈源输入，在天线外部添加极化转换器，直接作用于天线辐射方向图，这类极化转换器通常像一个罩子罩在天线上，又称为极化转换天线罩。这种外用极化转换器可以在不改变天线馈电系统内部结构情况下，实现极化转换，可以使天线工作在多种极化状态，是天线的重要组成部件。
目前国内外报道的外用极化转换器可大致分为四类：栅条型极化转换器、折线栅型极化转换器、基于超材料的极化转换器以及基于频率选择表面(FSS)的极化转换器。其中，折线栅型极化转换器、基于超材料的极化转换器和基于频率选择表面(FSS)的极化转换器的研究都是在功率不高条件下。
平板波导对于平行和垂直两分量有不同传播常数，使两分量产生相位差。采用双层金属栅条网级联结构，可实现对输出波的任意极化调控，将此栅条网置于介质窗之前的真空环境中，可获得较高的功率容量，但显著增加了天线系统的体积。
目前报道的极化转换器研究中显示，仅有栅条型极化转换器有应用于高功率的研究，但是栅条型结构体积大，并且需要另加载介质窗以确保栅网处于真空状态，显著增加了天线系统的体积。
发明内容
本发明的主要目的在于提供高功率埋入式极化转换天线罩，可以同时起到线-圆极化相互转换和天线罩密封作用适用于高功率条件下微波辐射。具有结构简单紧凑和高峰值功率的特点，
为了实现上述目的，根据本发明具体实施方式的一个方面，提供了一种高功率埋入式极化转换天线罩，所述天线罩包括介质层和导电层，其特征在于，所述导电层封闭在两层介质层之间，不与外界接触，以提高天线罩功能容量，所述导电层由导电材料构成的图案组成，所述图案在平面上的分布具有二维周期性，通过调整介质层参数和/或图案参数实现极化转换。
进一步的，所述介质层参数包括介电常数和厚度。
进一步的，所述图案参数包括图案大小、形状和周期。
进一步的，所述天线为螺旋阵列天线。
进一步的，所述介质层为3层，所述导电层为2层。
进一步的，所述3层介质层由相同材料构成。
进一步的，所述3层介质层厚度相同或不同。
进一步的，所述2层导电层结构相同或不同。
进一步的，所述图案为折线，所述折线宽度为w，所述折线高度为h，水平周期为a，垂直周期为b；其中，w、h、a、b均为正数。
具体的，所述天线工作频率为8.4GHz。
本发明的有益效果是：采用埋入式结构，避免金属层与空气或真空接触，有效提高极化转换天线罩功率容量。在天线罩位置实现极化转换，基本上不会增加天线系统体积，具有结构简单紧凑，适用于功率大于等于100MW的高功率条件下圆极化-线极化相互转换的应用场景。
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的说明。本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的具体实施方式、示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为实施例1天线罩结构示意图；
图2为实施例1天线罩导电层平面结构示意图；
图3为实施例1天线系统反射系数S11仿真曲线示意图；
图4为实施例1天线系统轴比仿真曲线示意图；
图5为实施例1天线罩顶面场强分布仿真示意图；
图6为实施例1导电层场强分布仿真示意图；
图7为实施例2天线罩结构示意图。
在附图中：
11为第一介质层；
12为第二介质层；
13为第三介质层；
15为天线罩顶部
21为第一导电层；
22为第二导电层；
30为天线罩侧壁；
40为天线；
41为天线基座。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的具体实施方式、实施例以及其中的特征可以相互组合。现将参考附图并结合以下内容详细说明本发明。
为了使本领域技术人员更好的理解本发明方案，下面将结合本发明具体实施方式、实施例中的附图，对本发明具体实施方式、实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的具体实施方式、实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施方式、实施例，都应当属于本发明保护的范围。
实施例1
本例高功率埋入式极化转换天线罩，就像一个盖在螺旋阵列天线上的罩子，如图1所示。
本例采用X波段高功率径向线螺旋阵列天线40构成发射系统，工作频率为8.4GHz。
本例天线罩顶部15与入射波波阵面共面也是平面结构，参见图1和图2。
本例天线罩由3层介质层和2层导电层。图1中分别表示为介质层11，介质层12，介质层13以及导电层21和导电层22。
导电层21封闭在介质层11和介质层12两层介质层之间，导电层22封闭在介质层12和介质层13两层介质层之间，形成埋入式结构。
本例介质层11，介质层12，介质层13采用相同材料聚四氟乙烯构成。
本例导电层21和导电层22具有相同结构和形状，由导电材料构成的折线图案组成折线栅，如同2所示。折线图案水平周期a＝10.5mm，垂直周期b＝13mm，折线高度h＝6.6mm，折线宽度w＝2.7mm，介质层12厚度d1＝2.8mm，外侧两层介质厚度d2＝2.9mm；以此参数构成192.5mm×211.3mm的埋入式折线栅极化转换天线罩加载至X波段高功率径向线螺旋阵列天线构成的发射系统，可以实现圆极化波到线极化波的转换。
明显的，根据互易原理，本例天线罩同样可以实现线极化波到圆极化波的转换。
本领域技术人员明白，通过调整介质层参数，如介电常数和厚度等，以及本例中导电层图案参数w、h、a、b等，本发明的天线罩可以适用于不同工作频率的发射系统，完成线极化波圆极化波的相互转换。本发明的天线罩，导电层厚度t通常都非常薄，对天线罩的微波电学参数基本上没有什么影响，可以不考虑导电层的厚度(如本例导电层厚度t＝0.03mm)。
本例天线罩工作原理简单描述如下：
线极化波可以分解为垂直分量和水平分量，当线极化波入射时，折线栅对垂直分量和水平分量分别呈现分路电感和电容效应，产生相位滞后和超前，当垂直分量和水平分量场强相等、相位相差90°时，线极化波转换为圆极化波；由互易原理知，同样可以实现圆极化波到线极化波的转换。合理调节折线栅和介质板参数，可使极化转换天线罩保持良好匹配状态和良好极化转换效率，并且可以适用于不同的工作频率。重要的是，将金属折线栅埋入介质板后，避免与空气或真空接触，可以有效提高极化转换天线罩的功率容量。
与现有的技术相比，本发明采用埋入式结构，避免金属折线与空气或真空接触，提高极化转换天线罩功率容量。在天线罩位置实现极化转换，不会显著增加天线系统体积，系统结构简单紧凑，非常适合用于高功率条件下线极化波-圆极化波的相互转换
本例天线罩导电层21和导电层22可以通过涂覆、刻蚀等工艺制作折线栅，如采用双面电路板通过刻蚀工艺在介质基板两面形成金属折线栅，然后进行介质封装，在双面电路板两面分别形成介质层11和介质层13，与双面电路板一起构成3层介质层和2层导电层的天线罩结构，最后通过天线罩侧壁30安装到天线基板41上。
本例天线罩侧壁30没有设置导电层，如果螺旋天线尺寸交大，天线罩侧壁30比较高，也可以像天线罩顶部15一样设置导电层。
在天线罩侧壁30没有设置导电层的条件下，根据数据模拟结果，如图3所示，在8.1～8.5GHz频率范围内，反射系数S11<0.15，匹配效果良好。当工作频率f＝8.4GHz时，反射系数S11＝0.02，轴比AR＝40dB，如图3和图4所示，此时天线系统辐射线极化波。(未加天线罩前，原高功率径向线螺旋阵列天线辐射圆极化波)，加载天线罩后，圆极化波转换为线极化波效果良好。在天线罩顶部15表面最大场强202V/m，参见图5。根据空气的击穿阈值3MV/m，计算出功率容量为110MW。折线栅上最大场强897V/m，如图6所示。根据介质内部击穿阈值40MV/m，计算出功率容量为994MW。综合考虑，本例极化转换天线罩功率容量为110MW。
上述结果表明，本例极化转换天线罩具有高峰值功率、匹配效果好、结构简单紧凑等特点。
实施例2
如图7所示，本例天线罩也是3层介质层和2层导电层的结构，与实施例1不同的是，本例天线罩适用于球面波发射系统，天线罩也是与波阵面共面的球形结构。本例其他结构参见实施例1的描述，此处不再赘述。

Claims (7)

1.高功率埋入式极化转换天线罩，所述天线罩包括介质层和导电层，其特征在于，所述导电层封闭在两层介质层之间，不与外界接触，以提高天线罩功率容量，所述导电层由导电材料构成的图案组成，所述图案在平面上的分布具有二维周期性，通过调整介质层参数和/或图案参数实现极化转换；所述天线为螺旋阵列天线；所述介质层参数包括介电常数和厚度；
所述图案为折线栅，所述折线栅宽度为w，所述折线栅高度为h，水平周期为a，垂直周期为b；其中，w、h、a、b均为正数。
2.根据权利要求1所述的高功率埋入式极化转换天线罩，其特征在于，所述图案参数包括图案大小、形状和周期。
3.根据权利要求1或2所述的高功率埋入式极化转换天线罩，其特征在于，所述介质层为3层，所述导电层为2层。
4.根据权利要求3所述的高功率埋入式极化转换天线罩，其特征在于，所述3层介质层由相同材料构成。
5.根据权利要求3所述的高功率埋入式极化转换天线罩，其特征在于，所述3层介质层厚度相同或不同。
6.根据权利要求3所述的高功率埋入式极化转换天线罩，其特征在于，所述2层导电层结构相同或不同。
7.根据权利要求1所述的高功率埋入式极化转换天线罩，其特征在于，所述天线工作频率为8.4GHz。
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