CN110148839B - 赋形波束高功率微波同轴腔缝隙天线 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种赋形波束高功率微波同轴腔缝隙天线,包括双模变径同轴腔以及带法兰盘的过模同轴波导,过模同轴波导连接于双模变径同轴腔的底部,双模变径同轴腔包括同心设置的大同轴腔体及小同轴腔体,大同轴腔体上表面设有垂直贯穿大同轴腔体的内圈缝隙和外圈缝隙,内圈缝隙包括6个缝隙,外圈缝隙包括12个缝隙,本发明利用TM020模式激励起的圆环缝隙阵,通过辐射缝隙对在紧凑的圆口径上实现了线极化的辐射,基于相位对消技术,通过调节旋转相位调节缝隙对缝隙实现对波束形状的控制。
Description
技术领域
本发明涉及微波毫米波天线技术领域,具体涉及一种紧凑的赋形波束高功率微波同轴腔缝隙天线。
背景技术
高功率微波天线技术是伴随着高功率微波技术逐渐发展起来的。在近几十年的高速发展中,尤其是紧凑的高功率微波天线在多种应用领域已难以胜任。这些问题主要集中在功率容量和辐射效率、小型化和轻量化、赋形波束等方面。而紧凑、小型化和波束赋形也是近几年随着高功率微波逐渐从实验室迈向实际应用中提出的新要求。这类高功率微波天线在未来将广泛应用于电磁脉冲弹(EMP弹)、机载定向能武器、单兵作战系统、微波加热、无线输能等领域。
高功率微波源往往输出的是旋转轴对称的高次模式,而这类高次模式的辐射通常是空心波束。为了实现有效的轴向辐射,传统的高功率微波天线,如过模喇叭,通常会在喇叭腔内同时激励起多种模式以起到模式变换的作用,或者将大口径喇叭天线与模式变换器直接级联,以实现轴向的有效辐射。不过,这样的代价也十分明显,喇叭口张角剧烈的变化或模式变换器的使用皆会引起天线整体尺寸的剧烈增加。由于高功率微波应用中所使用的过模传输波导有很高的过模比,这对谐振腔天线的结构的破坏也较大,难以在腔体内激励起所需的谐振模式。另外,小口径的高功率微波天线的缝隙间距本身较小,为避免强互耦可能引起的电场击穿,通过增加抵消缝隙来改善天线的阻抗匹配的方法不再适用。当然,如此紧凑的天线口径面就更难以通过常规设计来获得赋形波束的功能。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是基于极化对消技术能够在紧凑高功率微波同轴腔缝隙阵列天线上实现波束赋形的功能,提供一种赋形波束高功率微波同轴腔缝隙天线。
为实现上述发明目的,本发明提技术方案如下:
一种赋形波束高功率微波同轴腔缝隙天线,包括双模变径同轴腔1以及过模同轴波导4,过模同轴波导4连接于双模变径同轴腔的底部,双模变径同轴腔1包括同心设置的大同轴腔体2及小同轴腔体3,大同轴腔体2的直径大于小同轴腔体3的直径,大同轴腔体2上表面设有垂直贯穿大同轴腔体2的内圈缝隙和外圈缝隙,内圈缝隙包括6个缝隙,沿y轴正半轴逆时针旋转,分别为:第一内缝隙801、第二内缝隙802、第三内缝隙803、第四内缝隙804、第五内缝隙805、第六内缝隙806;外圈缝隙包括12个缝隙,沿y轴正半轴逆时针旋转,分别为第一外缝隙811、第二外缝隙901、第三外缝隙812、第四外缝隙903、第五外缝隙813、第六外缝隙905、第七外缝隙814、第八外缝隙906、第九外缝隙815、第十外缝隙904、第十一外缝隙816、第十二外缝隙902,其中第一内缝隙801和第一外缝隙811,第二内缝隙802 和第三外缝隙812,第三内缝隙803和第五外缝隙813,第四内缝隙804和第七外缝隙814,第五内缝隙805和第九外缝隙815,第六内缝隙806和第十一外缝隙816,两两分别构成六个线极化缝隙对;其中,第二外缝隙901和第十二外缝隙902,第四外缝隙903和第十外缝隙 904,第六外缝隙905和第八外缝隙906,两两分别构成极化调节缝隙对,用于调节天线的极化;设各缝隙的中点和同轴腔体圆心之间的连线为线R,线R和y轴正半轴之间的角度为旋转角α,各缝隙的横向中轴线为线L,线L和线R之间的夹角为各缝隙的自转角度,内圈缝隙的自转角度为θ,外圈缝隙的自转角度为θ’,满足如下表达式:
过模同轴波导的内导体7延伸至双模变径同轴腔的顶部,并与大同轴腔体2的顶部内表面接触。
作为优选方式,所有的缝隙宽度l均相同且大于λ/6,λ为自由空间的波长。
作为优选方式,同轴腔体2的高度h1和小同轴腔体3的高度h2均小于λ/2,λ为自由空间的波长,以实现低剖面结构。
作为优选方式,大同轴腔体2的半径R1=1.42λ,小同轴腔体3的半径R2=λ,λ为自由空间的波长。这样的设置才能在腔体内激励起TM020模式
作为优选方式,所述同轴腔缝隙天线未使用任何介质基板,损耗低。
本发明天线以变径双模同轴腔作为圆环缝隙阵的馈电网络,无需使用功分器和移相器,简化结构复杂度。
本发明天线的馈电同轴波导为过模波导,内外径尺寸和尺寸比远大于标准同轴波导以保证更高的功率容量。
本发明的有益效果为:在该天线的馈电同轴波导和大同轴谐振腔中间增加了一层小的同轴谐振腔,使得在过模同轴波导中传输的TEM模式由在小同轴腔内谐振的TM010模式逐渐向大同轴腔内耦合,随后在大同轴腔内激励起TM020模式,以双模同轴腔的强模式选择性来抑制由馈电同轴波导的高过模比所引起的干扰模式。利用TM020模式激励起的圆环缝隙阵,通过辐射缝隙对(数字编号缝隙)在紧凑的圆口径上实现了线极化的辐射,基于相位对消技术,通过调节旋转相位调节缝隙对缝隙)实现对波束形状的控制。缝隙的宽度均大于λ/6,天线的功率容量得到了提高。所述缝隙天线的双模工作模式,展宽了工作带宽。
附图说明
图1是本发明的赋形波束高功率微波同轴腔缝隙天线的结构示意图;
图2是本发明的赋形波束高功率微波同轴腔缝隙天线的俯视图;
图3是本发明六边形基片集成波导缝隙天线的截面示意图;
图4为本发明的赋形波束高功率微波同轴腔缝隙天线在9.375GHz处双模变径同轴腔体内 TM020模式电场分布图;
图5为本发明的赋形波束高功率微波同轴腔缝隙天线的输入端反射系数结果;
图6为本发明的赋形波束高功率微波同轴腔缝隙天线在9.375GHz处E面和H面辐射方向图,实线(蓝色)为E面,虚线(红色)为H面;
1为双模变径同轴腔,2为大同轴腔体,3为小同轴腔体,4为过模同轴波导,5为圆环缝隙阵,6为过模同轴波导的外导体壁,7为过模同轴波导的内导体,801为第一内缝隙,802为第二内缝隙,803为第三内缝隙,804为第四内缝隙,805为第五内缝隙,806为第六内缝隙,811为第一外缝隙,901为第二外缝隙,812为第三外缝隙,903为第四外缝隙,813为第五外缝隙,905为第六外缝隙,814为第七外缝隙,906为第八外缝隙,815为第九外缝隙, 904为第十外缝隙,816为第十一外缝隙,902为第十二外缝隙。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式,本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用,本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用,在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
一种赋形波束高功率微波同轴腔缝隙天线,包括双模变径同轴腔1以及过模同轴波导4,过模同轴波导4连接于双模变径同轴腔的底部,双模变径同轴腔1包括同心设置的大同轴腔体2及小同轴腔体3,大同轴腔体2的直径大于小同轴腔体3的直径,大同轴腔体2上表面设有垂直贯穿大同轴腔体2的内圈缝隙和外圈缝隙,内圈缝隙包括6个缝隙,沿y轴正半轴逆时针旋转,分别为:第一内缝隙801、第二内缝隙802、第三内缝隙803、第四内缝隙804、第五内缝隙805、第六内缝隙806;外圈缝隙包括12个缝隙,沿y轴正半轴逆时针旋转,分别为第一外缝隙811、第二外缝隙901、第三外缝隙812、第四外缝隙903、第五外缝隙813、第六外缝隙905、第七外缝隙814、第八外缝隙906、第九外缝隙815、第十外缝隙904、第十一外缝隙816、第十二外缝隙902,其中第一内缝隙801和第一外缝隙811,第二内缝隙802 和第三外缝隙812,第三内缝隙803和第五外缝隙813,第四内缝隙804和第七外缝隙814,第五内缝隙805和第九外缝隙815,第六内缝隙806和第十一外缝隙816,两两分别构成六个线极化缝隙对;其中,第二外缝隙901和第十二外缝隙902,第四外缝隙903和第十外缝隙 904,第六外缝隙905和第八外缝隙906,两两分别构成极化调节缝隙对,用于调节天线的极化;设各缝隙的中点和同轴腔体圆心之间的连线为线R,线R和y轴正半轴之间的角度为旋转角α,各缝隙的横向中轴线为线L,线L和线R之间的夹角为各缝隙的自转角度,内圈缝隙的自转角度为θ,外圈缝隙的自转角度为θ’,满足如下表达式:
过模同轴波导的内导体7延伸至双模变径同轴腔的顶部,并与大同轴腔体2的顶部内表面接触。
本实施例中,所有的缝隙宽度l均相同且大于λ/6,λ为自由空间的波长。
本实施例中,大同轴腔体2的高度h1和小同轴腔体3的高度h2均小于λ/2,λ为自由空间的波长。
本实施例中,大同轴腔体2的半径R1=1.42λ,小同轴腔体3的半径R2=λ,λ为自由空间的波长。
本实施例中,所述同轴腔缝隙天线未使用任何介质基板。
本发明天线以变径双模同轴腔作为圆环缝隙阵的馈电网络,无需使用功分器和移相器,简化结构复杂度。
本发明天线的馈电同轴波导为过模波导,内外径尺寸和尺寸比远大于标准同轴波导以保证更高的功率容量。
该实施例中天线工作在X波段,中心工作频率为9.375GHz。
本实施例中大同轴腔体半径R1=45.5mm,小同轴腔体半径R2=33mm,过模同轴波导内径R3=11mm,外径R4=17mm,保证了更高功率微波能量的传输。
天线在中心工作频率9.375GHz处,过模传输波导工作于TEM模式,大同轴腔体2和小同轴腔体3内的TM020模式和TM010模式电场分布仿真结果如图4所示,从图中可以看出小同轴腔和大同轴腔内的工作模式同时被激励起来,未出现其他干扰模式,表明变径双模同轴腔具有较好的模式选择性,且获得了良好的回波损耗性能,天线输入端反射系数结果如图5所示,在中心频率的回波损耗为接近20.8dB,-10dB工作带宽为450MHz;天线在9.375GHz处,最大增益和中心轴处增益之差为3.95dB,证明调相缝隙对实现了对紧凑天线的波束控制。 E面和H面辐射方向图结果如图6所示。仿真中发现本发明的天线在中心频率的最大电场幅值为2800V/m,已知真空中的电场击穿在9.375GHz时的阈值为79.8MV/m,可推算出本发明天线的功率容量约为812MW。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效,而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下,对上述实施例进行修饰或改变。因此,凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变,仍应由本发明的权利要求所涵盖。
Claims (5)
1.一种赋形波束高功率微波同轴腔缝隙天线,其特征在于:包括双模变径同轴腔(1)以及过模同轴波导(4),过模同轴波导(4)连接于双模变径同轴腔的底部,双模变径同轴腔(1)包括同心设置的大同轴腔体(2)及小同轴腔体(3),大同轴腔体(2)的直径大于小同轴腔体(3)的直径,大同轴腔体(2)上表面设有垂直贯穿大同轴腔体(2)的内圈缝隙和外圈缝隙,内圈缝隙包括6个缝隙,沿y轴正半轴逆时针旋转,分别为:第一内缝隙(801)、第二内缝隙(802)、第三内缝隙(803)、第四内缝隙(804)、第五内缝隙(805)、第六内缝隙(806);外圈缝隙包括12个缝隙,大同轴腔体(2)上表面的半径方向从内到外为y轴正方向,沿y轴正半轴逆时针旋转,分别为第一外缝隙(811)、第二外缝隙(901)、第三外缝隙(812)、第四外缝隙(903)、第五外缝隙(813)、第六外缝隙(905)、第七外缝隙(814)、第八外缝隙(906)、第九外缝隙(815)、第十外缝隙(904)、第十一外缝隙(816)、第十二外缝隙(902),其中第一内缝隙(801)和第一外缝隙(811),第二内缝隙(802)和第三外缝隙(812),第三内缝隙(803)和第五外缝隙(813),第四内缝隙(804)和第七外缝隙(814),第五内缝隙(805)和第九外缝隙(815),第六内缝隙(806)和第十一外缝隙(816),两两分别构成六个线极化缝隙对;其中,第二外缝隙(901)和第十二外缝隙(902),第四外缝隙(903)和第十外缝隙(904),第六外缝隙(905)和第八外缝隙(906),两两分别构成极化调节缝隙对,用于调节天线的极化;设各缝隙的中点和同轴腔体圆心之间的连线为线R,线R和y轴正半轴之间的角度为旋转角α,各缝隙的横向中轴线为线L,线L和线R之间的夹角为各缝隙的自转角度,内圈缝隙的自转角度为θ,外圈缝隙的自转角度为θ′,满足如下表达式:
过模同轴波导的内导体(7)延伸至双模变径同轴腔的顶部,并与大同轴腔体(2)的顶部内表面接触。
2.根据权利要求1所述的赋形波束高功率微波同轴腔缝隙天线,其特征在于:所有的缝隙宽度l均相同且大于λ/6,λ为自由空间的波长。
3.根据权利要求1所述的赋形波束高功率微波同轴腔缝隙天线,其特征在于:大同轴腔体(2)的高度h1和小同轴腔体(3)的高度h2均小于λ/2,λ为自由空间的波长。
4.根据权利要求1所述的赋形波束高功率微波同轴腔缝隙天线,其特征在于:大同轴腔体(2)的半径R1=1.42λ,小同轴腔体(3)的半径R2=λ,λ为自由空间的波长。
5.根据权利要求1所述的赋形波束高功率微波同轴腔缝隙天线,其特征在于:所述同轴腔缝隙天线未使用任何介质基板。
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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