CN113258284B - 高功率微波环焦双反射面天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高功率微波环焦双反射面天线，包括与微波源同轴连接的TEM‑圆波导TM₀₁模式转换器、次反射面、主反射面及喇叭天线，次反射面与主反射面相对设置；模式转换器的输出端连接喇叭天线，且模式转换器的输入端端口内、外半径与微波源一致；次反射面呈椭球面，由椭圆ET段绕OT轴旋转一周，次反射面包含焦点O和焦点C，喇叭天线的相位中心位置位于次反射面的焦点O处，主反射面呈抛物环面，由抛物线PQ段绕OT轴旋转一周，主反射面焦点与次反射面焦点C重合。采用环焦双反射面天线与微波源直连，实现高增益。在喇叭天线与微波源之间设计同轴式模式转换器，以充分利用轴向空间使得结构紧凑，并最终实现集中于轴向的定向辐射。

Description

高功率微波环焦双反射面天线

技术领域

本发明涉及高功率微波天线技术领域，具体涉及一种高功率微波环焦双反射面天线。

背景技术

为增强高功率微波的辐射效应，高功率微波天线通常具有较高的增益。典型的高增益高功率微波天线有两类：反射面类天线，如带二次反射面的Vlasov天线、大口径COBRA天线（DOI：CNKI:CDMD:2.2006.113371）等；阵列天线，如高功率微波密布缝隙波导天线（申请号201610436530.X）、高功率微波悬板阵列天线（DOI：10.1063/1.5110732）等。与此同时，多数微波源输出的微波模式为旋转对称模（如同轴TEM），通常需要设计模式转换器将旋转对称模转换为易于定向辐射的模式（如圆波导TE₁₁模）。解决高功率微波天线模式转换问题的方法主要有四种：一是在天线输入前端设计模式转换器，如波导半径微扰模式转换器（DOI：10.1080/00207218408938998）、TM₀₁-TE₁₁双弯曲型波导模式转换器（DOI：10.1088/0256-307X/18/9/342）、同轴插排式模式转换器（DOI：10.7666/d.y1101798）等；二是采用模式转换天线，如上述Vlasov天线、COBRA天线等；三是采用阵列天线的形式，如高功率微波连续横向枝节缝隙径向线天线（申请号201710833448.5）；四是设计模式转换天线罩，如基于复合介质透镜的高功率横向枝节阵列天线（申请号202010582435.7）。

然而，上述高功率天线在实现高增益时，结构通常较为复杂或者对加工精度要求较高，并且均未提出天线折叠方案使得结构紧凑。

发明内容

本发明的目的是针对上述技术问题，提供一种结构紧凑、轴向定向辐射集中的高功率微波环焦双反射面天线。

为实现上述目的，本发明所设计的高功率微波环焦双反射面天线，包括与微波源同轴连接的TEM-圆波导TM₀₁模式转换器、次反射面、主反射面及喇叭天线，次反射面与主反射面相对设置；所述模式转换器的输出端连接喇叭天线，且模式转换器的输入端端口内、外半径与微波源一致；次反射面呈椭球面，由椭圆ET段绕OT轴旋转一周，次反射面包含焦点O和焦点C，喇叭天线的相位中心位置位于次反射面的焦点O处，主反射面呈抛物环面，由抛物线PQ段绕OT轴旋转一周，主反射面焦点与次反射面焦点C重合。

进一步地，将所述模式转换器与喇叭天线一同密封，并充入一次惰性气体，一次惰性气体的气压略低于微波源的高气压；将所述模式转换器、喇叭天线、次反射面再次密封，并充入二次惰性气体，二次惰性气体的气压略低于一次惰性气体的气压、但高于大气压。

进一步地，所述主反射面采用折叠结构形式。

进一步地，所述主反射面的背面设有太阳能电池板。

进一步地，所述椭圆ET段求解过程如下：

假设焦点O为原椭圆的坐标原点，原椭圆长轴、短轴分别为b、a，则次反射面对应的椭圆由原椭圆绕焦点O绕顺时针旋转α而得，则旋转前原椭圆方程为：

y₀′²/a²+[z₀′-(b²-a²)]²/b²=1

旋转后椭圆方程为：

(y′×cosα-z′×sinα)²/a²+[y′×sinα+z′×cosα-(b²-a²)^0.5]²/b²=1

其中，y′、z′旋转后椭圆上点的坐标值；

旋转后椭圆与y轴交于T点，旋转前原椭圆的另外一个焦点C′坐标为[0,2(b²-a²)^0.5]，旋转后椭圆的焦点C坐标为[2sinα(b²-a²)^0.5, 2cosα(b²-a²)^0.5]；根据环焦双反射面天线原理，次反射面边缘处E点纵坐标与焦点C相同，设E点坐标为E[E_y2sinα(b²-a²)^0.5, 2cosα(b²-a²)^0.5]则有：

(E_y-1)²×sin²2α/a²+(2E_y×sin²α+cos2α)²/b²=1/(b²-a²)

令：a₀=(E_y-1)²×sin²2α, b₀=(2E_y×sin²α+cos2α)²,c₀=1/(b²-a²)

则有：

a₀/a²+b₀/b²=c₀，b²=a²+1/c₀

化简得：

a⁴×c₀+(1-a₀-b₀)×a²-a₀/c₀=0

求解得：

a²={-(1-a₀-b₀)+[(1-a₀-b₀)²+4a₀]^0.5}/(2c₀)

对于旋转后的椭圆与y轴交于T点，即T点的纵坐标Tz为0

(y′×cosα)²/a²+[y′×sinα-(b²-a²)]²/b²=1

求解得T点横坐标为：

Ty={α²×sinα(b²-a²)^0.5+a²[sin²α(b²-a²)+(b²cos²α+a²sin²α)]}/ (b²cos²α+a²sin²α)

给定旋转角α和E点坐标，即令A= E_y2sinα(b²-a²)^0.5、B=2cosα(b²-a²)^0.5，A、B为给定的E点横坐标值和纵坐标值，即可求解a、b，进而求出T点的坐标。

进一步地，所述抛物线PQ段求解过程如下：

焦点C同时为主反射面抛物线PQ的焦点，由于P点位于EC延长线上，PC的长度即为抛物线焦距F，则P点坐标为：

P_y=C_y-F, P_z=C_z

设抛物线方程为：

y=(z-C_z)²/(4F)+C_y-F，y、z为抛物线PQ上的任意一点；

则抛物线上端点Q满足：

Q_y=(Q_z-C_z)²/(4F)+C_y-F

由于Q点位于TC延长线上，则Q点坐标必然满足下式：

Q_z=(Q_y-T_y)×(C_z-T_z)/(C_y-T_y)+ T_z

由上述两式可得：

Qz=(C_z-T_z)/(C_y-T_y)×[(Q_z-C_z)²/(4F)+C_y-F-T_y]+T_z

令：a₂=(C_y-T_y)×(C_z-Q_z)/(C_z-T_z)

则有：

F²-a₂×F-(C_z-Q_z)²=0

求解得：

F={a₂+[a₂ ²+(Q_z-C_z)²]^0.5}/2

Q_z为主反射面的口径半径，给定Q_z的值即可根据公式a₂=(Q_y-T_y)×(C_z-Q_z)/(C_z-T_z)求出a₂，根据公式F={a₂+[a₂ ²+(Q_z-C_z)²]^0.5}/2进一步求出F，即可再求出P_y、Q_y，从而求出P点和Q点的坐标。

进一步地，所述Q_z根据抛物面的增益G_抛设计指标近似评估， G_抛=10log₁₀[28Q_z ²/λ²]，其中，λ为波长。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：1）采用环焦双反射面天线与微波源直连，以实现高增益。

2）在喇叭天线与微波源之间设计同轴式模式转换器，以充分利用轴向空间使得结构紧凑，并最终实现集中于轴向的定向辐射。

3）将模式转换器与喇叭天线一同密封（一次密封），并充入较高气压的惰性气体，以初步提高天线的功率容量；将模式转换器、喇叭天线、次反射面再次密封（二次密封），并充入较低气压的惰性气体，进一步提高天线的功率容量；通过上述两级密封，可降低各部位密封的难度。

4）提出了基于坐标旋转的次反射面建模方案，提高了建模效率。

5）采用折叠主反射面的结构形式，使得天线不工作时结构紧凑，主反射面的背面可设计成太阳能电池板，从而对高功率微波辐射系统进行伪装，并实现充电。

附图说明

图1为本发明次反射面建模示意图。

图2为本发明环焦双反射面天线原理示意图。

图3为本发明模式转换器与喇叭天线端口S参数。

图4为本发明基于模式转换器环焦双反射面天线端口S参数。

具体实施方式

下面结合附图和具体实例对本发明作进一步的详细说明。

高功率微波环焦双反射面天线，包括与微波源同轴连接的TEM（横电磁波模式）-圆波导TM₀₁（横磁波01模式）模式转换器、次反射面、主反射面及喇叭天线，次反射面与主反射面相对设置。模式转换器的输入端端口内、外半径与微波源一致，以保持良好阻抗匹配；模式转换器的输出端连接喇叭天线，利用喇叭天线高定向性和对称性；次反射面呈椭球面，由椭圆ET段绕OT轴（y轴）旋转一周，次反射面包含焦点O和焦点C，喇叭天线的相位中心位置位于次反射面的焦点O处，根据几何光学原理，由焦点O出发的入射波到达次反射面时，反射波必将经过次反射面的另外一个焦点C；主反射面呈抛物环面，由抛物线PQ段绕OT轴旋转一周，主反射面焦点与次反射面焦点C重合，使反射波再经主反射面后成为平面波，等相位面是垂直于OT旋转轴的任一平面。

采用模式转换器与环焦双反射面天线相组合的方式，以实现集中于轴向的高定向性辐射，天线结构简单；且在溃源喇叭天线与微波源之间设计同轴TEM-圆波导TM₀₁模式转换器，以充分利用轴向空间使得结构紧凑。

将模式转换器与喇叭天线一同密封（一次密封），并充入一次惰性气体，以初步提高天线的功率容量，该一次惰性气体的气压略低于微波源的高气压，降低两者之间的气压差；将模式转换器、喇叭天线、次反射面再次密封（二次密封），并充入二次惰性气体，进一步提高天线的功率容量，该二次惰性气体的气压略低于一次惰性气体的气压、但高于大气压。通过两级密封，可降低各部位密封的难度。

本实施例中，主反射面采用折叠结构形式，使得天线不工作时结构紧凑；主反射面的背面设有太阳能电池板，从而对高功率微波辐射系统进行伪装，并实现充电。

本发明高功率微波环焦双反射面天线，基于模式转换器，利用喇叭天线与微波源之间的轴向空间，设置了模式转换器，使得天线结构紧凑；同时提出了基于坐标旋转的次反射面、主反射面建模方案，提高了建模效率；另外，主反射面可折叠，使得天线不工作时结构紧凑，其背面可设计成太阳能电池板，从而对高功率微波辐射系统进行伪装，并实现充电。

如图1、图2所示为了提高建模效率，采用基于坐标旋转的主反射面、次反射面建模，具体建模过程如下：

椭圆ET段求解过程如下：

假设焦点O为原椭圆的坐标原点，原椭圆长轴、短轴分别为b、a，则次反射面对应的椭圆由原椭圆绕焦点O绕顺时针旋转α而得，则旋转前原椭圆方程为：

y₀′²/a²+[z₀′-(b²-a²)]²/b²=1

旋转后椭圆方程为：

(y′×cosα-z′×sinα)²/a²+[y′×sinα+z′×cosα-(b²-a²)^0.5]²/b²=1

其中，y′、z′旋转后椭圆上点的坐标值；

旋转后椭圆与y轴交于T点，旋转前原椭圆的另外一个焦点C′坐标为[0, 2(b²-a²)^0.5]，旋转后椭圆的焦点C坐标为[2sinα(b²-a²)^0.5, 2cosα(b²-a²)^0.5]；根据环焦双反射面天线原理，次反射面边缘处E点纵坐标与焦点C相同，设E点坐标为E[E_y2sinα(b²-a²)^0.5, 2cosα(b²-a²)^0.5]则有：

(E_y-1)²×sin²2α/a²+(2E_y×sin²α+cos2α)²/b²=1/(b²-a²)

令：a₀=(E_y-1)²×sin²2α, b₀=(2E_y×sin²α+cos2α)²,c₀=1/(b²-a²)

则有：

a₀/a²+b₀/b²=c₀，b²=a²+1/c₀

化简得：

a⁴×c₀+(1-a₀-b₀)×a²-a₀/c₀=0

求解得：

a²={-(1-a₀-b₀)+[(1-a₀-b₀)²+4a₀]^0.5}/(2c₀)

对于旋转后的椭圆与y轴交于T点，即T点的纵坐标Tz为0

(y′×cosα)²/a²+[y′×sinα-(b²-a²)]²/b²=1

求解得T点横坐标为：

Ty={α²×sinα(b²-a²)^0.5+a²[sin²α(b²-a²)+(b²cos²α+a²sin²α)]}/ (b²cos²α+a²sin²α)

因此，给定旋转角α和E点坐标，即令A= E_y2sinα(b²-a²)^0.5、B=2cosα(b²-a²)^0.5，A、B为给定的E点横坐标值和纵坐标值，即可求解a、b，进而求出T点的坐标，TE段绕OT周旋转一周即可得次反射面。

抛物线PQ段求解过程如下：

焦点C同时为主反射面抛物线PQ的焦点，由于P点位于EC延长线上，PC的长度即为抛物线焦距F，则P点坐标为：

P_y=C_y-F, P_z=C_z

设抛物线方程为：

y=(z-C_z)²/(4F)+C_y-F，y、z为抛物线PQ上的任意一点；

则抛物线上端点Q满足：

Q_y=(Q_z-C_z)²/(4F)+C_y-F

由于Q点位于TC延长线上，则Q点坐标必然满足下式：

Q_z=(Q_y-T_y)×(C_z-T_z)/(C_y-T_y)+ T_z

由上述两式可得：

Qz=(C_z-T_z)/(C_y-T_y)×[(Q_z-C_z)²/(4F)+C_y-F-T_y]+T_z

令：a₂=(C_y-T_y)×(C_z-Q_z)/(C_z-T_z)

则有：

F²-a₂×F-(C_z-Q_z)²=0

求解得：

F={a₂+[a₂ ²+(Q_z-C_z)²]^0.5}/2

显然，Q_z为主反射面的口径半径，Q_z可根据抛物面的增益G_抛设计指标近似评估Q_z的大小，G_抛=10log₁₀[28Q_z ²/λ²]，其中，λ为波长。

给出了Q_z的值即可根据公式a₂=(Q_y-T_y)×(C_z-Q_z)/(C_z-T_z) 求出a₂，根据公式F={a₂+[a₂ ²+(Q_z-C_z)²]^0.5}/2进一步求出F，即可再求出P_y、Q_y，从而求出P点和Q点的坐标，进一步求出抛物线PQ段，抛物线段PQ绕OT轴旋转一周即可得主反射面。

喇叭天线可与TEM-圆波导TM₀₁模式转换器一体化设计，使得结构更为紧凑。由于喇叭天线的输入端与模式转换器输出端尺寸相同，均为圆波导，而喇叭天线张开时口径逐渐变大，因此，只要模式转换器的功率表容量满足设计要求，喇叭天线部分将自动满足功率容量的限制，即

喇叭天线尺寸关系为：

θ=2cos^-1[L/(L+δ)]

其中，θ为锥角；L为圆锥长度；δ为0.1λ~0.4λ之间，λ为波长，取典型值δ=0.2λ，由几何关系可知：

L=a²/(8δ)=r²/(0.4λ)

天线椎体部分侧表面积S计算公式为：

S=πr(L+δ)=πr²/[sin(0.5θ)]

圆锥喇叭天线增益为：

G_天线=10log10[7.5πr²/λ²]

3dB波瓣宽度为：

θ_EH=41.8λ/r

其中，上述r为锥底半径。

例如典型的次反射面旋转角为α=18.19°，并有E(2.12λ, 3.08λ)，当f=1.575GHz时，依次求解得：a=345，b=463，T(324, 0)，E(403, 586)，T′(308, 100)，E′(203, 683)，单位mm。次反射面由下述椭圆线段旋转而成：

y′=a{1-[z′-(b²-a²)^0.5]/b²}^0.5，z′取值范围为[100, 683]

设计增益为32dB时，抛物面口径约2m，即Q_z=2000mm。依次求解得：F=885，C(190,586)，P(-695, 586)，单位mm。主反射面由下述抛物线段旋转而成：

y=(z-P_z)²/(4F)+P_y，z取值范围为[586, 2000]。

r=0.2m的圆锥喇叭天线在1.575GHz时增益约为14.2dBi，此时L=0.52m。仿真得天线增益为14.8dBi，且为集中于轴向的定向辐射。

图3为本发明模式转换器与喇叭天线端口S参数，图中曲线由上至下分别表示同轴TEM波注入时，同轴TEM、TE₁₁、TE₂₁的反射系数。同轴主模TEM-TEM反射系数[S1(1),1(1)]在1.4~1.8GHz的频段范围内小于-10dB，在1.5~1.73GHz的频段范围内小于-15dB，在设计中心频率处（1.575GHz）约为-25dB。同轴高次模TE₁₁-TEM反射系数[S1(2),1(1)]在1.51~1.8GHz的频带范围内小于-15dB，同轴高次模TE₂₁-TEM反射系数[S1(2),1(1)]在1.4~1.8GHz的频带范围内小于-29dB。因此，该模式转换器产生的反射波能量在1.5~1.73GHz的频带范围内小于5.2%，在中心频率处小于0.5%。本发明基于模式转换器环焦双反射面天线仿真增益为30.9dBi。

图4为本发明基于模式转换器环焦双反射面天线端口S参数，图中曲线由上至下分别表示同轴TEM波注入时，同轴TEM、TE₁₁、TE₂₁的反射系数。同轴主模TEM-TEM反射系数[S1(1),1(1)]在1.4~1.8GHz的频段范围内小于-10dB，在1.5~1.69GHz的频段范围内小于-15dB，在设计中心频率处（1.575GHz）约为-28dB。同轴高次模TE₁₁-TEM反射系数[S1(2),1(1)]在1.51~1.8GHz的频带范围内小于-15dB，同轴高次模TE₂₁-TEM反射系数[S1(2),1(1)]在1.4~1.8GHz的频带范围内小于-29dB。

Claims (4)

1.一种高功率微波环焦双反射面天线，其特征在于：包括与微波源同轴连接的TEM-圆波导TM₀₁模式转换器、次反射面、主反射面及喇叭天线，次反射面与主反射面相对设置；所述模式转换器的输出端连接喇叭天线，且模式转换器的输入端端口内、外半径与微波源一致；次反射面呈椭球面，由椭圆ET段绕OT轴旋转一周，次反射面包含焦点O和焦点C，喇叭天线的相位中心位置位于次反射面的焦点O处，主反射面呈抛物环面，由抛物线PQ段绕OT轴旋转一周，主反射面焦点与次反射面焦点C重合；

所述椭圆ET段求解过程如下：

假设焦点O为原椭圆的坐标原点，原椭圆长轴、短轴分别为b、a，则次反射面对应的椭圆由原椭圆绕焦点O绕顺时针旋转α而得，则旋转前原椭圆方程为：

y₀′²/a²+[z₀′-(b²-a²)]²/b²=1

旋转后椭圆方程为：

(y′×cosα-z′×sinα)²/a²+[y′×sinα+z′×cosα-(b²-a²)^0.5]²/b²=1

其中，y′、z′旋转后椭圆上点的坐标值；

旋转后椭圆与y轴交于T点，旋转前原椭圆的另外一个焦点C′坐标为[0, 2(b²-a²)^0.5]，旋转后椭圆的焦点C坐标为[2sinα(b²-a²)^0.5, 2cosα(b²-a²)^0.5]；根据环焦双反射面天线原理，次反射面边缘处E点纵坐标与焦点C相同，设E点坐标为E[E_y2sinα(b²-a²)^0.5, 2cosα(b²-a²)^0.5]则有：

(E_y-1)²×sin²2α/a²+(2E_y×sin²α+cos2α)²/b²=1/(b²-a²)

令：a₀=(E_y-1)²×sin²2α, b₀=(2E_y×sin²α+cos2α)²,c₀=1/(b²-a²)

则有：

a₀/a²+b₀/b²=c₀，b²=a²+1/c₀

化简得：

a⁴×c₀+(1-a₀-b₀)×a²-a₀/c₀=0

求解得：

a²={-(1-a₀-b₀)+[(1-a₀-b₀)²+4a₀]^0.5}/(2c₀)

对于旋转后的椭圆与y轴交于T点，即T点的纵坐标Tz为0

(y′×cosα)²/a²+[y′×sinα-(b²-a²)]²/b²=1

求解得T点横坐标为：

Ty={α²×sinα(b²-a²)^0.5+a²[sin²α(b²-a²)+(b²cos²α+a²sin²α)]}/ (b²cos²α+a²sin²α)

给定旋转角α和E点坐标，即令A= E_y2sinα(b²-a²)^0.5、B=2cosα(b²-a²)^0.5，A、B为给定的E点横坐标值和纵坐标值，即可求解a、b，进而求出T点的坐标；

所述抛物线PQ段求解过程如下：

焦点C同时为主反射面抛物线PQ的焦点，由于P点位于EC延长线上，PC的长度即为抛物线焦距F，则P点坐标为：

P_y=C_y-F, P_z=C_z

设抛物线方程为：

y=(z-C_z)²/(4F)+C_y-F，y、z为抛物线PQ上的任意一点；

则抛物线上端点Q满足：

Q_y=(Q_z-C_z)²/(4F)+C_y-F

由于Q点位于TC延长线上，则Q点坐标必然满足下式：

Q_z=(Q_y-T_y)×(C_z-T_z)/(C_y-T_y)+ T_z

由上述两式可得：

Qz=(C_z-T_z)/(C_y-T_y)×[(Q_z-C_z)²/(4F)+C_y-F-T_y]+T_z

令：a₂=(C_y-T_y)×(C_z-Q_z)/(C_z-T_z)

则有：

F²-a₂×F-(C_z-Q_z)²=0

求解得：

F={a₂+[a₂ ²+(Q_z-C_z)²]^0.5}/2

Q_z为主反射面的口径半径，给定Q_z的值即可根据公式a₂=(Q_y-T_y)×(C_z-Q_z)/(C_z-T_z) 求出a₂，根据公式F={a₂+[a₂ ²+(Q_z-C_z)²]^0.5}/2进一步求出F，即可再求出P_y、Q_y，从而求出P点和Q点的坐标；

所述Q_z根据抛物面的增益G_抛设计指标近似评估， G_抛=10log₁₀[28Q_z ²/λ²]，其中，λ为波长。

2.根据权利要求1所述高功率微波环焦双反射面天线，其特征在于：将所述模式转换器与喇叭天线一同密封，并充入一次惰性气体，一次惰性气体的气压略低于微波源的高气压；将所述模式转换器、喇叭天线、次反射面再次密封，并充入二次惰性气体，二次惰性气体的气压略低于一次惰性气体的气压、但高于大气压。

3.根据权利要求1所述高功率微波环焦双反射面天线，其特征在于：所述主反射面采用折叠结构形式。

4.根据权利要求1所述高功率微波环焦双反射面天线，其特征在于：所述主反射面的背面设有太阳能电池板。

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