CN108899655A - 一种高功率微波测量用宽带波导开槽型低轴比圆极化天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高功率微波测量用宽带波导开槽型低轴比圆极化天线，包括设置有安装法兰开口波导，开口波导包括波导本体，波导本体内部由分界面分两段阶梯式腔体，两段腔体分别为线极化信号传输段和圆极化信号形成段；波导本体相对的两个面上开设有缺口槽，两个缺口槽以开口波导传输方向中心轴呈中心对称，以提供产生圆极化信号所需要的两个正交线极化和90°相位延迟；缺口槽底部与分界面平齐。主要解决常规线极化接收天线易极化失配和圆极化接收天线轴比较大、带宽较窄、功率容量较低等缺陷造成高功率微波辐射场测量精度较低的问题。

Description

一种高功率微波测量用宽带波导开槽型低轴比圆极化天线

技术领域

本发明涉及高功率微波测量技术领域，具体涉及一种高功率微波测量用宽带波导开槽型低轴比圆极化天线，适用于来波信号为线极化且极化方向不确定时的高功率微波测量。

背景技术

高功率微波是指频率范围从300MHz到300GHz、峰值功率大于100MW或平均功率大于1MW的强电磁辐射。高功率微波在通信、雷达、材料处理、核聚变加热等领域都有重要的应用。

利用天线进行辐射场测量是评估高功率微波系统技术指标的重要手段，但由于高功率微波辐射场具有脉冲持续时间短、峰值功率高、不同测点处信号极化方向不确定等特点，准确测量辐射场功率一直是个技术难题。目前通常采用线极化天线作为测量接收天线，通过预估测点处的极化方向来调整线极化天线的极化偏转角度来进行测量，存在着精度不高和操作不便等缺点。

圆极化天线在雷达、卫星通信、遥测遥控和电子战等领域有着广泛的应用，其相比线极化天线具有众多的优势：在雷达应用中可以降低云、雨的影响；在卫星通信应用中可以减小电离层法拉第旋转效应引起的极化畸变；在电子对抗中，可以侦察和干扰敌方各种线极化和椭圆极化的信号；在通信、遥感遥测等系统应用中可以减少信号的漏失；可以适用于剧烈摆动或滚动的空中平台上信号的接收。常规波导型圆极化天线多采用介质片作为圆极化器，功率容量和温度稳定性不高，且其轴比指标一般在1dB～3dB左右，无法满足高精度测量的要求，对其组阵虽然可以降低轴比，但同时会带来馈电网络复杂和体积庞大等问题。微带圆极化天线具有结构尺寸小、易于加工、易于实现低轴比等优点，但是一般带宽较窄，功率容量较低，只适用于较远距离的高功率微波测量。

发明内容

本发明提供了一种高功率微波测量用宽带波导开槽型低轴比圆极化天线，主要解决常规线极化接收天线易极化失配和圆极化接收天线轴比较大、带宽较窄、功率容量较低等缺陷造成高功率微波辐射场测量精度较低的问题。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种高功率微波测量用宽带波导开槽型低轴比圆极化天线，包括设置有安装法兰的开口波导，开口波导包括波导本体，波导本体内部由分界面分两段阶梯式腔体，两段腔体分别为线极化信号传输段和圆极化信号形成段；波导本体相对的两个面上开设有缺口槽，两个缺口槽以开口波导传输方向中心轴呈中心对称，以提供产生圆极化信号所需要的两个正交线极化和90°相位延迟；缺口槽底部与分界面平齐。

所述的波导本体为矩形、方形、扁形或者渐变喇叭形状。

所述的波导本体为矩形，缺口槽设置在宽边上。

所述的缺口槽为V型槽或者倒梯形槽。

所述的线极化信号传输段和圆极化信号形成段均为矩形腔体，圆极化信号形成段内部高度h2与线极化信号传输段内部高度h1相同，圆极化信号形成段内部宽度宽w2大于线极化信号传输段内部宽度w1。

所述的开口波导内部还设置有两个内部加脊，两个内部加脊对称设置在设有缺口槽的两个面上。

所述的内部加脊的棱边均倒角。

相对于现有技术，本发明具有以下优点：

本发明的这种波导开槽型圆极化天线通过对波导形式、开槽尺寸等参数的优化设计，提高了圆极化纯度，实现低轴比特性，并且具有宽带和高功率容量等特点。适用于高功率微波辐射场的精确测量。极化天线18GHz～40GHz范围内回波损耗<-10dB，相对带宽达到约75％，失配反射小，信号波形受失配引起的畸变较小。在37.5GHz时，增益约为13.0dB，3dB轴比波束宽度约31.7°，1dB轴比波束宽度约21.8°，主轴方向轴比<0.1dB，如图7所示。该天线轴比接近于0dB，测量精度较高。

进一步，加脊波导开槽圆极化天线在两个脊之间场强最强，场强约为0.2kV/cm，远小于空气击穿场强，功率容量达500MW以上。

进一步，V型槽或者倒梯形槽可以适用于不同频段的测试要求，使得应用范围更广。

附图说明

图1为宽带波导开槽型低轴比圆极化天线立体视图。

图2为宽带波导开槽型低轴比圆极化天线侧视图。

图3为宽带波导开槽型低轴比圆极化天线前视图。

图4为宽带波导开槽型低轴比圆极化天线回波损耗。

图5为宽带波导开槽型低轴比圆极化天线方向图。

图6为宽带波导开槽型低轴比圆极化天线轴比。

图7为宽带波导开槽型低轴比圆极化天线在输入功率1W时的场强分布。

图中，1为安装法兰，2为开口波导，3为顶面梯形开槽，4为内部加脊，5为底面梯形开槽，6为内部段分界面，7为内部线极化信号传输段，8为内部圆极化信号形成段。

具体实施方式

本发明一种18GHz～40GHz高功率微波测量用宽带波导开槽型低轴比圆极化天线结构如图1～图3所示。该天线由安装法兰1、双脊波导、顶面梯形开槽3、底面梯形开槽4等组成。加脊波导内部分为线极化信号传输段7与圆极化信号形成段8，其波导内部高度相同，内部宽度不同而形成分界面6。以下选择矩形波导进行说明：

实施例1

对加脊开口波导的宽边两个面进行开槽。两个梯形槽尺寸相同，并且以开口波导传输方向(Z方向)中心轴呈对称关系。通过调整两个梯形槽的尺寸和相对位置，以提供产生圆极化所需要的两个正交线极化和90°相位延迟。

加脊开口波导内部分为线极化信号传输段7和圆极化信号形成段8。线极化信号传输段用于线极化信号传输，可以选择标准波导结构形式和尺寸，也可以根据频段需求进行非标波导设计优化。通常波导频率主要受口面长度和宽度影响，且加脊波导一般比普通波导频率适用范围更宽。

圆极化信号形成段8用于将线极化信号变换为圆极化信号。圆极化信号形成段波导内部高度h2与线极化信号传输段波导内部高度h1相同，内部宽度宽w2大于线极化信号传输段波导内部宽度w1。

加脊开口波导内部分为线极化信号传输段7与圆极化信号形成段8，两段波导内部高度相同(h1＝h2)，内部宽度不同(w1＜w2)并形成分界面6。

对加脊开口波导的宽边两个面进行倒梯形开槽3和5。两个梯形槽尺寸相同，并且以开口波导传输方向(Z方向)中心轴呈对称关系。

本发明的基本原理：通过对加脊开口波导宽边两个面进行对称开槽处理，将开口波导线极化信号转换为圆极化信号，同时具备宽带、低轴比和较高功率容量等特性。

基本实施步骤如下：

(1)根据应用频率选择线极化信号传输段开口波导的口面长度、宽度，并根据频带宽度和功率容量要求决定是否对开口波导进行加脊处理。

(2)圆极化信号形成段波导内部高度h2与线极化信号传输段波导内部高度h1相同，内部宽度w2宽于线极化信号传输段波导内部宽度w1。

(3)对开口波导的宽边两个面进行梯形开槽3和4。两个梯形槽尺寸相同，并且以开口波导传输方向(Z方向)中心轴呈对称关系。

(4)针对待测信号频率和回波损耗、增益、波束宽度、轴比等要求，对波导长度、波导宽度、梯形槽上下底宽和高度等尺寸进行数值计算优化。针对待测信号频率和功率容量需求，对脊的形状和间距进行数值计算优化。

注意事项

(1)线极化信号传输段开口波导的口面长度、宽度等参数可以选择标准的矩形、方形或者标准的双脊波导，也可以根据待测信号频率和功率要求选择非标波导。

(2)脊的形状和间距将影响天线阻抗带宽和功率容量，可根据待测信号频率和功率容量需求进行了调整优化。

这种波导开槽型圆极化天线通过对波导形式、开槽尺寸等参数的优化设计，提高了圆极化纯度，实现低轴比特性，并且具有宽带和高功率容量等特点。适用于高功率微波辐射场的精确测量。

(1)带宽较宽。目前常见的商用微带圆极化天线，为了兼顾轴比、波束宽度等指标，相对带宽一般<25％。图4中的波导开槽型圆极化天线18GHz～40GHz范围内回波损耗<-10dB，相对带宽达到约75％，失配反射小，信号波形受失配引起的畸变较小。

(2)轴比极低。常见的商用圆极化天线较好的轴比指标在1dB～3dB左右，无法满足高精度测量的要求。所设计的波导开槽型圆极化天线，在37.5GHz时，增益约为13.0dB，3dB轴比波束宽度约31.7°，1dB轴比波束宽度约21.8°，主轴方向轴比<0.1dB，如图7所示。该天线轴比接近于0dB，意味着若来波信号为极化方向未知的线极化波时，即使旋转一周，测值也基本不变，测量精度较高。

(3)功率容量较高。采用介质片作为圆极化器波导型圆极化天线和微带圆极化天线受限于介质本身特性，功率容量较低。所设计的加脊波导开槽圆极化天线在两个脊之间场强最强，场强约为0.2kV/cm，远小于空气击穿场强，功率容量达500MW以上。

实施例2

对加脊开口波导的宽边两个面进行开槽。根据频带宽度，也可以选择V型槽。两个V型槽尺寸相同，并且以开口波导传输方向(Z方向)中心轴呈对称关系。其他结构与实施例1均相同。

最后应说明的是，以上实施例1仅用以说明本发明的技术方案而非限制，波导形式不限于矩形，根据实际需要还可以为方形、扁形、或者渐变喇叭等其他形状。可以加脊也可以不加脊，脊的形状可以为矩形，也可为方形、棱形等其他形状。波导和脊的棱边可以根据需要进行倒角等处理。波导内部还可以根据需要添加介质材料以提高功率容量。

尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (7)

1.一种高功率微波测量用宽带波导开槽型低轴比圆极化天线，其特征在于，包括设置有安装法兰(1)的开口波导(2)，开口波导(2)包括波导本体，波导本体内部由分界面(6)分两段阶梯式腔体，两段腔体分别为线极化信号传输段(7)和圆极化信号形成段(8)；波导本体相对的两个面上开设有缺口槽，两个缺口槽以开口波导传输方向中心轴呈中心对称，以提供产生圆极化信号所需要的两个正交线极化和90°相位延迟；缺口槽底部与分界面(6)平齐。

2.根据权利要求1所述的一种高功率微波测量用宽带波导开槽型低轴比圆极化天线，其特征在于，所述的波导本体为矩形、方形、扁形或者渐变喇叭形状。

3.根据权利要求1所述的一种高功率微波测量用宽带波导开槽型低轴比圆极化天线，其特征在于，所述的波导本体为矩形，缺口槽设置在宽边上。

4.根据权利要求1至3任意一项所述的一种高功率微波测量用宽带波导开槽型低轴比圆极化天线，其特征在于，所述的缺口槽为V型槽或者倒梯形槽。

5.根据权利要求1至3任意一项所述的一种高功率微波测量用宽带波导开槽型低轴比圆极化天线，其特征在于，所述的线极化信号传输段(7)和圆极化信号形成段(8)均为矩形腔体，圆极化信号形成段(8)内部高度h2与线极化信号传输段(7)内部高度h1相同，圆极化信号形成段(8)内部宽度宽w2大于线极化信号传输段(7)内部宽度w1。

6.根据权利要求1至3任意一项所述的一种高功率微波测量用宽带波导开槽型低轴比圆极化天线，其特征在于，所述的开口波导(2)内部还设置有两个内部加脊(4)，两个内部加脊(4)对称设置在设有缺口槽的两个面上。

7.根据权利要求6所述的一种高功率微波测量用宽带波导开槽型低轴比圆极化天线，其特征在于，所述的内部加脊(4)的棱边均倒角。