CN112086747B - 一种充气式高功率微波阵列天线 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种充气式高功率微波阵列天线，属于高功率微波技术领域。包括波导功分馈电网络、真空介质窗、波导缝隙阵列天线、充气天线罩、可替换气瓶、气体压力调节器和安全阀，波导缝隙阵列天线放置于充气天线罩内，波导功分馈电网络采用真空处理，通过真空介质窗与波导缝隙阵列天线连接，可替换气瓶、气体压力调节器和安全阀用于对充气天线罩的气压进行调节的。本发明将微波阵列天线进行充气式处理，解决了现有技术中大面积的波导缝隙阵列天线真空处理耗时较长，难以满足用户要求，且降低了天线寿命的问题。

Description

一种充气式高功率微波阵列天线
技术领域
本发明属于高功率微波技术领域，具体涉及一种充气式高功率微波阵列天线。
背景技术
高功率微波是指工作中心频率在300MHz～300GHz、峰值功率大于100MW的强电磁脉冲，随着高功率微波技术在车辆迫停、反无人机等应用领域的不断深入，用户对系统的作用威力和体积重量等指标提出了较高的要求，高功率微波天线作为辐射功能核心设备，将高功率微波源产生的电磁波进行聚束，形成高能锥状波束向目标区域投射，所以高功率微波天线的性能在很大程度上决定了系统的整体性能。
目前可用于高功率微波系统的天线形式主要有喇叭天线、抛物反射面天线、螺旋天线以及波导缝隙阵列天线等，虽然抛物反射面天线和喇叭天线结构简单，性能可靠，但是不利于和卡车、飞机等平台进行共形设计，而且架设运输所需结构复杂，螺旋天线可节省天线轴向尺寸，通过阵列可提高天线增益，典型的螺旋高功率阵列天线设计可见文献【王欣；刘庆想.高功率线极化径向线阵列天线优化及实验研究.成都：强激光与粒子束，2010:1914-1918】，该设计采用基于圆环阵元的线极化阵列天线，在1.47-1.77GHz的频带范围内实现了线极化微波的轴向辐射，天线增益大于17.31dB，由于采用同轴馈电，天线功分网络尺寸较大，而且结构设计复杂。
波导缝隙阵列天线具有高功率容量、高增益、低剖面和容易共形设计的特点，目前的应用主要集中在通信、探测等领域，由于高功率微波工作时天线内部功率可达数百兆瓦甚至数吉瓦，传统的微波天线功率容量最高仅为百千瓦，因而无法直接应用于高功率微波领域，需要采取特殊处理，如袁成卫在CN 106058476高功率微波密布缝隙波导天线专利中提出了一种需要宽边横向开缝波导阵列天线，该天线采用匹配负载工作的行波阵模式，经过波导内部抽真空后设计功率容量可达2GW，真空处理是一种提高天线功率容量的途径，但是在实际工程应用时，尤其要求高功率微波系统需要具备机动部署和应用能力时，大面积的波导缝隙阵列天线真空处理耗时较长，难以满足用户要求，而且真空处理对天线的寿命设计提出了较高的要求。
发明内容
要解决的技术问题
针对高功率微波技术在车辆迫停和反无人机领域的应用需求，为了解决系统天线功率容量不足，降低设备体积重量，提高系统作用威力，本发明提供一种充气式高功率微波阵列天线。
技术方案
一种充气式高功率微波阵列天线，其特征在于包括波导功分馈电网络、真空介质窗、波导缝隙阵列天线、充气天线罩、可替换气瓶、气体压力调节器和安全阀；所述的真空介质窗位于波导功分馈电网络和波导缝隙阵列天线之间，真空介质窗将经过功率分配后的每路微波功率和波导缝隙阵列天线的每路波导密封连接；所述的波导缝隙阵列天线整体采用透波材料的充气天线罩包裹，充气天线罩周边采用密封设计；充气天线罩内填充绝缘气体，填充气体压力范围为0.2-3Bar；充气天线罩上设有安全阀，安全阀依次连接气体压力调节器和可替换气瓶。
所述的波导功分馈电网络选择E-T、H-T或者魔T组合形式，在馈入端口利用法兰与前级的微波源连接，形成一体式真空腔体。
所述的介质窗采用高分子材料，在靠近波导缝隙阵列天线的一侧采用周期性刻槽。
所述的波导缝隙阵列天线采用矩形波导宽边纵向开缝形式，波导缝隙采用对称矩形开缝，缝隙四角倒圆，波导缝隙阵元不含匹配负载，波导缝隙间距为二分之一波长，波导腔内的电场分布呈驻波状态，形成谐振辐射，波导缝隙距离可调节短路活塞为四分之一波长，可调节短路活塞可用于调试过程中的驻波状态微调。
所述的充气天线罩采用纤维增强树脂复合材料，填充气体为六氟化硫或者氮气。
所述的气体压力调节器为机械式，压力调节范围为0.1-6Bar。
有益效果
本发明提出的一种充气式高功率微波阵列天线，包括波导功分馈电网络、真空介质窗、波导缝隙阵列天线、充气天线罩、可替换气瓶、气体压力调节器和安全阀，波导缝隙阵列天线放置于充气天线罩内，波导功分馈电网络采用真空处理，通过真空介质窗与波导缝隙阵列天线连接，可替换气瓶、气体压力调节器和安全阀用于对充气天线罩的气压进行调节的。本发明相比于现有技术，其有益效果如下：
1、本发明提出对传统波导缝隙阵列天线内部填充六氟化硫或者氮气等绝缘气体的方法，降低了高功率微波在天线内部发生微波打火的风险，有效提高了天线波导的功率容量，使天线能够满足高功率使用要求；
2、本发明提出了真空介质窗安装在波导功分器馈电网络和波导缝隙之间的结构设计，高功率微波经过真空侧的多路功分馈电网络后，降低了对后级每路波导天线的功率容量要求，提高了系统高功率工作可靠性。
附图说明
图1充气式高功率微波阵列天线系统组成示意图；
图2波导缝隙阵列天线单元示意图
图3介质窗周期性刻槽示意图
图4充气式高功率微波阵列天线示例示意图
附图标记如下：1-波导功分馈电网络、2-真空介质窗、3-波导缝隙阵列天线、4-充气天线罩、5-可替换气瓶、6-气体压力调节器、7-安全阀、3-1波导缝隙、3-2可调节短路活塞、8-周期性刻槽。
具体实施方式
本发明一种充气式高功率微波阵列天线，组成框图如附图1所示，具体包括波导功分馈电网络1、真空介质窗2、波导缝隙阵列天线3、充气天线罩4、可替换气瓶5、气体压力调节器6、安全阀7。
具体地，本发明为提高天线的功率容量，要求波导缝隙阵列天线3整体采用透波材料的充气天线罩4包裹，充气天线罩4周边采用密封设计，防止漏气影响天线高功率辐射，天线罩体采用纤维增强树脂复合材料；
具体地，本发明充气天线罩4内填充气体可为六氟化硫或者氮气等绝缘气体，填充气体压力范围为0.2-3Bar，由于六氟化硫低温工作特性不佳，填充气体也可根据用户低温工作环境进行六氟化硫和氮气混合填充，具体压力值可根据天线罩体承压能力和天线功率容量要求调节；
具体地，本发明波导缝隙阵列天线3采用矩形波导宽边纵向开缝形式，如附图2所示，波导缝隙3-1采用对称矩形开缝，缝隙四角倒圆，波导缝隙阵元不含匹配负载，波导缝隙间距为二分之一波长，波导腔内的电场分布呈驻波状态，形成谐振辐射，波导缝隙距离可调节短路活塞3-2为四分之一波长，可调节短路活塞3-2可用于调试过程中的驻波状态微调；
具体地，本发明波导功分馈电网络1将微波源馈入的高功率微波进行功率分配，向每路波导进行馈电，由于馈入微波功率可达数GW，波导功分馈电网络1需要在真空环境下工作，在馈入端口利用法兰与前级的微波源连接，形成一体式真空腔体，共用抽真空设施，波导功分网络可根据结构要求选择E-T、H-T或者魔T组合形式；
具体地，本发明真空介质窗2将经过功率分配后的每路微波功率和波导缝隙阵列天线3的每路波导密封连接，如附图3所示，介质窗2一侧为真空环境，一侧为充气天线罩4内的惰性绝缘气体，为了降低介质窗在波导缝隙阵列天线3一侧的微波打火概率，介质窗2在靠近波导缝隙阵列天线3的一侧采用周期性刻槽；
具体地，本发明可替换气瓶5、气体压力调节器6和安全阀7共同工作可保证充气天线罩4内部的压力稳定，天线在待机工作周期内即使发生轻微漏气也不会影响正常工作，要求气体压力调节器6必须为机械式，因为采用电磁控制阀极有可能在天线高功率辐射时产生干扰，气体压力调节器6的压力调节范围为0.1-6Bar，安全阀7可设置罩体内最高工作压力，当内部压力大于设置压力时安全阀自动泄气，防止压力失控后破坏充气天线罩4的结构。
下面结合附图4与典型应用实施例对本发明做进一步说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已，并不用于限定本发明。
典型的，充气高功率微波阵列天线实施例设计如图4所示，天线工作频段为S波段，馈入微波功率850MW，波导尺寸采用BJ32标准，每根波导长1.4m，阵列天线由16路波导组成，每个波导均采用宽边纵向开缝形式，对称矩形开缝，缝隙四角倒圆，波导缝隙间距为二分之一波长，每个波导末端设计可调节短路活塞；
典型的，16根波导缝隙阵列天线固定在充气天线罩体内部，充气天线罩采用玻璃钢材料倒模制作，天线罩体尺寸为1.5*1.3*0.18m，天线罩内填充气体为纯六氟化硫，气体压力设定为1.2Bar，根据前期调试经验，对于脉宽60ns，工作频段S波段，重复频率低于50Hz的高功率微波，单个波导天线内部微波功率容量不小于100MW；
典型的，波导功分馈电网络将微波源馈入的850MW微波进行16路功率分配，波导功分网络选择H-T形式，共四级一分二功分网络，波导功分馈电网络在真空环境下工作，与前级的微波源连接，共用抽真空设施；
典型的，真空介质窗2采用高分子材料，两端设计固定法兰，分别与功分馈电网络和充气天线罩连接，在靠近波导缝隙阵列天线的一侧采用横向周期性刻槽降低发生微波打火的概率；
典型的，可替换气瓶采用标准4L惰性气体专用钢瓶，气体压力调节器的压力设定值为1.2Bar，安全阀压力设定为1.5Bar，当内部压力大于设置压力时安全阀自动泄气。

Claims (5)

1.一种充气式高功率微波阵列天线，其特征在于包括波导功分馈电网络(1)、真空介质窗(2)、波导缝隙阵列天线(3)、充气天线罩(4)、可替换气瓶(5)、气体压力调节器(6)和安全阀(7)；所述的真空介质窗(2)位于波导功分馈电网络(1)和波导缝隙阵列天线(3)之间，真空介质窗(2)将经过功率分配后的每路微波功率和波导缝隙阵列天线(3)的每路波导密封连接；所述的波导缝隙阵列天线(3)整体采用透波材料的充气天线罩(4)包裹，充气天线罩(4)周边采用密封设计；充气天线罩(4)内填充绝缘气体，填充气体压力范围为0.2-3Bar；充气天线罩(4)上设有安全阀(7)，安全阀(7)依次连接气体压力调节器(6)和可替换气瓶(5)；所述的介质窗(2)采用高分子材料，在靠近波导缝隙阵列天线(3)的一侧采用周期性刻槽(8)。
2.根据权利要求1所述的一种充气式高功率微波阵列天线，其特征在于所述的波导功分馈电网络(1)选择E-T、H-T或者魔T组合形式，在馈入端口利用法兰与前级的微波源连接，形成一体式真空腔体。
3.根据权利要求1所述的一种充气式高功率微波阵列天线，其特征在于所述的波导缝隙阵列天线(3)采用矩形波导宽边纵向开缝形式，波导缝隙(3-1)采用对称矩形开缝，缝隙四角倒圆，波导缝隙阵元不含匹配负载，波导缝隙间距为二分之一波长，波导腔内的电场分布呈驻波状态，形成谐振辐射，波导缝隙距离可调节短路活塞(3-2)为四分之一波长，可调节短路活塞(3-2)可用于调试过程中的驻波状态微调。
4.根据权利要求1所述的一种充气式高功率微波阵列天线，其特征在于所述的充气天线罩(4)采用纤维增强树脂复合材料，填充气体为六氟化硫或者氮气。
5.根据权利要求1所述的一种充气式高功率微波阵列天线，其特征在于所述的气体压力调节器(6)为机械式，压力调节范围为0.1-6Bar。
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