CN113131210B - 一种高功率微波用正馈卡塞格伦天线 - Google Patents
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Abstract
本发明属高功率微波传输与发射技术领域,提供一种高功率微波用正馈卡塞格伦天线,由主反射面、副反射面、馈源、介质锥形筒组成,介质锥形筒放置于馈源和副反射面之间,为圆锥筒状结构,介质锥形筒利用法兰分别与馈源的馈源口面法兰及副反射面的外沿法兰连接,且法兰上刻密封槽放置密封圈密封,确保馈源及副反射面工作在真空环境中,采用介质锥形筒实现电磁波正常透射,同时实现馈源与副反射面与外界大气真空隔离。采用这种结构,馈源口面不再作为真空与大气分界面,因此不需要通过增大馈源口面面积来降低口面场强,本发明的馈源的口面面积可以减小,同时减小馈源纵向尺寸以及馈源与副反射面之间的距离。利用常规(低功率传输用)卡塞格伦天线就能够传输高功率微波,天线功率容量提高30%,天线纵向总长度减少20%。
Description
技术领域
本发明属高功率微波传输与发射技术领域,涉及一种高功率微波用正馈卡塞格伦天线。
背景技术
国内常用的高功率微波发射系统一般为三镜制波束波导正馈卡塞格伦天线或是馈源馈电正馈卡塞格伦天线。
高功率微波产生器为真空器件,需要在真空环境下工作。三镜制波束波导正馈卡塞格伦天线作为微波传输与发射机构,连接在高功率微波产生器后。波束波导一面与高功率产生器连接,处在真空环境下。一面与大气连接,用介质窗作为这两部分区域的分割结构。介质窗是三镜制波束波导正馈卡塞格伦天线功率容量的瓶颈。为了提高三镜制波束波导正馈卡塞格伦天线的功率容量,波束波导直径一般较大,从而增大介质窗口面面积,降低波束波导真空与大气分割处介质窗表面场强,提高功率容量。有时,为了更进一步提高功率容量,在波束波导内还会充填SF6气体,还需介质窗隔离大气和SF6气体,这种介质窗也是高功率容量的薄弱点。这些都会造成系统体积庞大,结构复杂,维护困难。
对于馈源馈电正馈卡塞格伦天线,高功率微波系统产生的高功率微波需要通过馈源辐射出去。馈源内部为真空环境,馈源外部为大气环境,必然在馈源口面处有介质窗口来满足这一环境界面的转换,而介质窗的真空侧存在功率容量问题,需要通过增大馈源口面直径提高馈源功率容量。
通过波束波导发射的高功率微波在传输与发射过程中,高功率微波不可避免的会发散。由于电磁波在传输过程中会发散,为了尽可能多的截获波束波导发射的信号功率,卡塞格伦天线的副反射面直径一般会比波束波导的直径更大,这就导致主反射面的被遮挡面积加大,降低主发射面的发射效率,同时也造成卡塞格伦天线功率泄露增多。馈源馈电正馈卡塞格伦天线的问题是,随着馈源口面增大,为了匀化馈源表面场强,馈源纵向尺寸较长,并且馈源与副反射面之间的间距也较大。造成馈源馈电正馈卡塞格伦天线结构大,不利于高功率微波系统紧凑化,小型化。
发明内容
本发明目的是提出一种高功率微波用正馈卡塞格伦天线,解决了高功率微波用正馈卡塞格伦天线的功率容量不足及结构不紧凑,不利于小型化的技术问题。
为达到上述目的,解决上述技术问题,本发明提供的技术方案如下:一种高功率微波用正馈卡塞格伦天线,包括主反射面1、副反射面2、馈源3、介质锥形筒4;
主反射面1为良导体金属材质的旋转抛物面,与天线底座5连接,用于确保主反射面1电性能;
副反射面2为良导体金属材质旋转双曲面,副反射面2的一个焦点与主反射面1的焦点重合,由主反射面1伸出的支撑结构相连接,以减小对主反射面1的遮挡,提高天线效率;
馈源3的安装位置是确保馈源3的相位中心与副反射面2的另一个焦点重合,馈源3的一端连接介质锥形筒4,馈源3的另一端连接微波源输出波导;
介质锥形筒4放置于馈源3和副反射面2之间,为圆锥筒状结构,介质锥形筒4利用法兰分别与馈源3的馈源口面法兰及副反射面2的外沿法兰连接,且法兰上刻密封槽放置密封圈密封,确保馈源3及副反射面2工作在真空环境中,采用介质锥形筒实现电磁波正常透射,同时实现馈源3与副反射面2与外界大气真空隔离。
介质锥形筒4采用低介电常数、密封性好的介质材料,以确保介质锥形筒的引入对天线的电场幅度和相位的扰动降至最低,同时还能保证馈源和副反射面工作在真空环境中,厚度为在介质中传输微波半波长的整数倍,用以进一步抵消由于介质的加入而产生微波电场幅度和相位的改变。
介质锥形筒4进行表面镀层,进一步提高介质锥形筒4的真空性能与击穿阈值。
介质锥形筒4的表面镀层为百微米量级SiOx或SiNx,其中x为1或2,或两种物质混合的镀层。
连接馈源3与副反射面2的介质锥形筒表面连线可以是直线也可以是曲线或者折线,通过各种结构的选择最终降低增加介质锥形筒后天线处微波场幅度和相位的改变量;
和现有技术先比,本发明的有效收益:
1、本发明取消了波束波导或者馈源口面上真空介质窗,采用介质锥形筒实现电磁波正常透射,同时实现馈源与副反射面与外界大气真空隔离。
2、本发明根据馈源与副反射面的相对位置、尺寸,通过优化,可以使得介质锥形筒上的微波分布更加均匀,进一步提高功率容量。
3、本发明提出的结构,利用常规(低功率传输用)卡塞格伦天线就能够传输高功率微波,天线功率容量提高30%,天线纵向总长度减少20%。
4、本发明的馈源口面不再作为真空与大气分界面,因此不需要通过增大馈源口面面积来降低口面场强,本发明的馈源的口面面积可以减小。同时,减小馈源纵向尺寸以及馈源与副反射面之间的距离。由于介质锥形筒表面积大于馈源介质窗,从而降低了真空/大气界面微波功率密度,提高了高功率微波天线的功率容量,同时使得天线结构更加紧凑。
附图说明
图1是本发明正馈卡塞格伦天线结构示意图;
图2为本发明正馈卡塞格伦天线结构侧视图;
图3为常规卡塞格伦天线原理示意图;
图4为三镜制波束波导正馈卡塞格伦天线的结构示意图;
图5为本发明实施例天线切面电场分布示意图;
图6为本发明实施例天线馈源口面电场分布示意图;
图7为本发明实施例天线锥形介质筒上电场示意图;
图8为本发明实施例天线远场方向图。
其中:1-主反射面、2-副反射面、3-馈源、4-介质锥形筒5-天线底座
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细的解释和说明。
卡塞格伦天线是一种在微波通信中常用的天线,其原理示意图如图3所示,它是从抛物面演变而来的,由三部分组成,即主反射面,副反射面和馈源。其中主反射面为旋转抛物面,副反射面为旋转双曲面。在结构上,双曲面的一个焦点与抛物面的焦点重合,而馈源位于双曲面的另一个焦点上。它将由副反射面对馈源发出的电磁波发射到主反射面上,然后再经主反射面反射后获得相应方向的平面波束,以实现定向发射。
高功率微波用卡塞格伦天线是常规卡塞格伦天线应用的一种特殊形式,为了满足高功率容量需要,需要将馈源的口面及纵向尺寸设计的比常规馈源大得多。高功率微波系统产生的高功率微波需要通过馈源辐射出去,而高功率微波系统工作在真空环境,因此馈源内部为真空环境,馈源外部为大气环境,必然在馈源口面处有真空介质窗口来满足这一环境界面的转换,而介质窗的真空侧存在功率容量问题,需要通过增大馈源口面直径提高馈源功率容量。
三镜制波束波导正馈卡塞格伦天线的结构示意图如图4所示,其中,波束波导由一个抛物面反射镜和两个平面镜组成。利用抛物面反射镜S3将馈源F1辐射的球面波转换为平面波,再利用两个平面反射镜S2和S1经过两次反射,形成对天线副反射面的有效照射,再反射至主反射面,并经主反射面反射后获得相应方向的平面波束,以实现定向发射。波束波导一面与高功率产生器连接,处在真空环境下,一面与大气连接,用介质窗作为这两部分区域的分割结构。介质窗是三镜制波束波导正馈卡塞格伦天线功率容量的瓶颈。为了提高三镜制波束波导正馈卡塞格伦天线的功率容量,波束波导直径一般较大。为了降低波束波导真空与大气分割处介质窗表面场强,需增大介质窗口面面积以提高功率容量。有时,为了更进一步提高功率容量,有些情况下,在波束波导内还会充填SF6气体,还需介质窗隔离大气和SF6气体,这种介质窗也是高功率容量的薄弱点。这些都会造成系统体积庞大,结构复杂,维护困难。
本发明的正馈卡塞格伦天线的结构如图1和图2所示,包括主反射面1、副反射面2、馈源3、介质锥形筒4组成,主反射面1为旋转抛物面,其材质一般为良导体金属,与天线底座5连接,确保主反射面1电性能的基础上,在结构上也安全可靠。副反射面2为旋转双曲面,材质也为良导体金属,它放置的位置为其一个焦点与主反射面1焦点重合,由主反射面1伸出的支撑结构连接,最大限度减小对主反射面1的遮挡,提高天线效率。馈源3的安装位置是确保馈源3的相位中心与副反射面2的另一个焦点重合,馈源3的另一端连接微波源输出波导,介质锥形筒4放置于馈源3和副反射面2之间,由于电磁波在传输过程中会发散,为了尽可能多的截获馈源发射的信号功率,卡塞格伦天线的副反射面直径一般会比馈源口面直径大,因此将连接副反射面2和馈源3的介质筒设置为圆锥筒状结构,介质锥形筒4利用法兰上螺钉上下分别与馈源3的馈源口面法兰及副反射面2外沿法兰连接,法兰上刻密封槽,利用密封圈密封,确保馈源3及副反射面2工作在真空环境中。
本发明取消了波束波导或者馈源口面上真空介质窗,利用介质锥形筒代替馈源口面上真空介质窗,介质锥形筒不仅可以起到和真空介质窗一样隔离大气和真空界面的作用,还可以进一步提高天线的功率容量,同时将高功率微波用卡塞格伦天线的馈源尺寸大幅缩减,优化馈源与副反射面间距后,可以使天线更紧凑,有利于天线的小型化。
本发明采用介质锥形筒实现电磁波正常透射,同时实现馈源与副反射面与外界大气真空隔离。介质锥形筒表面积远大于馈源或者波束波导口面面积,微波功率流在介质锥形筒上分布的表面功率密度较传统高功率微波用卡塞格伦天线的馈源或者三镜制波束波导口面功率密度低很多,从而提高了高功率微波卡塞格伦天线的功率容量。这样就可以减小馈源口面直径。随着馈源口面直径的减小,在相同的反射率下,副反射面的尺寸也随之降低。同时根据馈源与副反射面的相对位置、尺寸,通过优化,可以使得介质锥形筒上的微波分布更加均匀,可以进一步提高功率容量。
介质锥形筒4采用低介电常数、密封性好的介质材料,以确保介质锥形筒的引入对天线的电场幅度和相位的扰动降至最低,同时还能保证馈源和副反射面工作在真空环境中,厚度为在介质中传输微波半波长的整数倍,用以进一步抵消由于介质的加入而产生微波电场幅度和相位的改变。
连接馈源3与副反射面2的介质锥形筒表面连线可以是直线也可以是曲线或者折线,目的是通过各种结构的选择最终降低增加介质锥形筒后天线处微波场幅度和相位的改变量;
介质锥形筒4,为进一步提高介质锥形筒4的真空性能与击穿阈值,介质的表面可以进行镀层,例如百微米量级SiOx或SiNx(x为1或2)或两种物质混合的镀层。
实施例1
下面结合实施例对本发明做进一步描述。一种Ku波段高功率微波用正馈卡塞格伦天线,功率容量1GW,其结构形式如图1和图2所示。主反射面口径1000mm,副反射面直径为150mm,馈源口径为80mm,锥形筒结构厚10mm,采用EPO材料,表面进行硬化处理后镀100μm厚SiN2镀层,天线纵向尺寸为300mm。该天线的切面电场分布如图5所示,介质锥形筒的存在几乎对天线的电场分布没有任何扰动。馈源口面电场分布如图6所示,其最大电场强度为221kV/cm,远高于介质击穿阈值(目前为止介质真空侧击穿阈值约为70kV/cm)。介质锥形筒的表面电场分布如图7所示,其表面最大场强为52kV/cm,低于介质的击穿阈值。该天线加入介质锥形筒后的方向图如图8所示,在频率12GHz,口径1m的该天线增益为38.7dB,3dB波束宽度为2.6度,副瓣电平为-29.5dB,介质锥形筒的加入对天线性能没有影响。这种结构将真空-大气分界面的面积增大,从而降低了介质锥形筒的电场强度,提高了整系统的功率容量,同时又使得馈源尺寸可以大幅缩小,从而使系统结构紧凑。
Claims (5)
1.一种高功率微波用正馈卡塞格伦天线,其特征在于,包括主反射面(1)、副反射面(2)、馈源(3)、介质锥形筒(4);
所述主反射面(1)为良导体金属材质的旋转抛物面,与天线底座(5)连接,用于确保主反射面(1)电性能;
所述副反射面(2)为良导体金属材质旋转双曲面,副反射面(2)的一个焦点与主反射面(1)的焦点重合,由主反射面(1)伸出的支撑结构相连接,以减小对主反射面(1)的遮挡,提高天线效率;
所述馈源(3)的安装位置是确保馈源(3)的相位中心与副反射面(2)的另一个焦点重合,馈源(3)的一端连接介质锥形筒(4),馈源(3)的另一端连接微波源输出波导;
所述介质锥形筒(4)放置于馈源(3)和副反射面(2)之间,为圆锥筒状结构,介质锥形筒(4)利用法兰分别与馈源(3)的馈源口面法兰及副反射面(2)的外沿法兰连接,且法兰上刻密封槽放置密封圈密封,确保馈源(3)及副反射面(2)工作在真空环境中,采用介质锥形筒实现电磁波正常透射,同时实现馈源(3)与副反射面(2)与外界大气真空隔离。
2.根据权利要求1所述的一种高功率微波用正馈卡塞格伦天线,其特征在于,所述介质锥形筒(4)采用低介电常数、密封性好的介质材料,以确保介质锥形筒的引入对天线的电场幅度和相位的扰动降至最低,同时还能保证馈源和副反射面工作在真空环境中,厚度为在介质中传输微波半波长的整数倍,用以进一步抵消由于介质的加入而产生微波电场幅度和相位的改变。
3.根据权利要求2所述的一种高功率微波用正馈卡塞格伦天线,其特征在于,所述介质锥形筒(4)进行表面镀层,进一步提高介质锥形筒(4)的真空性能与击穿阈值。
4.根据权利要求3所述的一种高功率微波用正馈卡塞格伦天线,其特征在于,所述介质锥形筒(4)的表面镀层为百微米量级SiOx或SiNx,其中x为1或2,或两种物质混合的镀层。
5.根据权利要求1-4任一所述的一种高功率微波用正馈卡塞格伦天线,其特征在于,连接馈源(3)与副反射面(2)的介质锥形筒表面连线可以是直线也可以是曲线或者折线,通过各种结构的选择最终降低增加介质锥形筒后天线处微波场幅度和相位的改变量。
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