CN116315568B - 一种高口径效率和高功率容量的低剖面模式裂变天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高口径效率和高功率容量的低剖面模式裂变天线，包括从下至上依次布置且相连通的HT功分结腔室、阶梯阻抗变换腔室和过膜波导腔室，HT功分结腔室用于将传入的信号一分二等幅同相功分后再传入阶梯阻抗变换腔室内；阶梯阻抗变换腔室内设有阶梯阻抗变换结构、以用于将传入的两路信号由TE10模裂变为TE20模、并形成四路相互耦合的微波信号后再传入过膜波导腔室内；过膜波导腔室的顶部开口处平铺有一块石英波导窗口板、以用于将传入的四路微波信号等幅同相合成后传出。本发明能克服线极化微波发射天线口径效率不高、功率容量不高、无法实现低剖面特性等不足，并且具有结构简单紧凑、高口径效率、低剖面、高功率容量的优点。

Description

一种高口径效率和高功率容量的低剖面模式裂变天线
技术领域
本发明主要涉及高功率容量微波发射天线技术领域，尤其涉及一种高口径效率和高功率容量的低剖面模式裂变天线。
背景技术
高功率容量、低剖面发射天线是高功率微波阵列天线的一个重要发展方向，它能够在较低剖面内发射较高功率，为高功率微波的工程化应用奠定良好基础。赵志强等人【赵志强，杨善国，孙全国，张登材，张永红，石小林，李智，王育强，全海江，李堃，一种低剖面高效率圆极化喇叭天线及其工作方法】公开了一种低剖面高效率圆极化喇叭天线及其工作方法，采用底馈的馈电方式进行馈电，信号在波导功分网络中进行1分4的等幅同相功分，功分后的4路信号通过过渡波导后分别沿辐射喇叭向自由空间进行辐射，形成圆极化波，口径效率可达91%，剖面为2.6倍中心频率波长。其前级一分四功分器在电场方向存在不连续性，造成场集中影响功率容量；后级喇叭过渡区域长度较长增大口面高度，且分为四个喇叭独立辐射造成口径效率较难进一步提升。Kim等人【D.Kim,J.Hirokawa, M. Ando, et al., 64x 64-Element and 32 x 32-Element Slot Array Antennas Using Double-LayerHollow-Waveguide Corporate-Feed in the 120 GHzBand[J], IEEE Trans. AntennasPropag., 2014, 62, 1507-1512.】设计了一套120GHz线极化阵列天线。采用了基于 MDBT工艺的矩形金属波导结构，并利用空气腔实现2×2单元缝隙结构子阵列。测试了32×32单元和64×64单元的性能，结果表明32×32单元有效增益大于38.00dBi，64×64单元有效增益大于43.00dBi，效率大于50.00%。该结构空气腔实现单元缝隙尺寸较小造成电场集中影响整体功率容量，且空气腔仍为独立的辐射单元，影响口径效率提升。
上述针对微波发射的天线研究重点虽然强调了高增益和口径效率，但是并没有实现更低剖面特性（2倍中心频率波长以内）和更高功率容量（100 MW量级）。综上所述，如何克服线极化微波发射天线口径效率不高、功率容量不高、无法实现低于2倍中心频率波长剖面高度特性等不足，提供一种高口径效率、低剖面、高功率容量的线极化高功率微波发射天线，成为一个亟待解决的问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：能克服线极化微波发射天线口径效率不高、功率容量不高、无法实现低剖面特性等不足，采用模式裂变的新方法新原理，提供一种结构简单紧凑，并且高口径效率、更低剖面、高功率容量的线极化高功率微波发射天线。
为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：
一种高口径效率和高功率容量的低剖面模式裂变天线，包括从下至上依次布置且相连通的HT功分结腔室、阶梯阻抗变换腔室和过膜波导腔室，所述HT功分结腔室用于将传入的信号一分二等幅同相功分后再传入上方的阶梯阻抗变换腔室内；所述阶梯阻抗变换腔室内设有阶梯阻抗变换结构、以用于将传入的两路信号通过阶梯阻抗变换使微波模式由TE10模裂变为TE20模、并形成四路相互耦合的微波信号后再传入上方的过膜波导腔室内；所述过膜波导腔室的顶部开口处平铺有一块石英波导窗口板、以用于将传入的四路微波信号等幅同相合成后传出。
作为本发明的进一步改进，所述HT功分结腔室包括呈上下布置且相连通的大长方体腔室和小长方体腔室、以用于使HT功分结腔室构成呈T形状的空心波导腔室，所述大长方体腔室内对应小长方体腔室顶部开口的中部处布置有一根圆柱、以用于将从小长方体腔室进入大长方体腔室内的信号一分二等幅同相功分。
作为本发明的进一步改进，所述大长方体腔室内于底板和侧板的连接处设有两条对称布置的斜坡部，两条所述斜坡部分别设于大长方体腔室的底板的两条短边处、用于和圆柱配合以便于对进入大长方体腔室内的信号进行一分二等幅同相功分。
作为本发明的进一步改进，所述阶梯阻抗变换腔室横截面呈正方形，所述阶梯阻抗变换结构包括隔板和两组台阶部，每组所述台阶部均包括呈上下布置的上矩形台阶部和下矩形台阶部，两组所述台阶部呈对称的分别设于大长方体腔室的顶部开口的两长边处上方，所述隔板设于两组台阶部的中部、用于将两组台阶部均分。
作为本发明的进一步改进，所述隔板的顶部伸入过膜波导腔室内并和石英波导窗口板底面接触。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
本发明的高口径效率和高功率容量的低剖面模式裂变天线，能克服现有技术的线极化微波发射天线口径效率不高、功率容量不高、无法实现低剖面特性等不足，具有结构简单紧凑，并且高口径效率、低剖面、高功率容量的优点，且提供的应用实例口径效率高于94%，功率容量大于200MW。使得本发明提出的微波发射天线在高功率微波电磁耐受性测试、高功率微波发射天线、高增益阵列天线以及高功率微波效应试验应用方面具有广阔应用前景。
附图说明
图1是本发明的高口径效率和高功率容量的低剖面模式裂变天线的剖视结构原理示意图。
图2是本发明的高口径效率和高功率容量的低剖面模式裂变天线的立体结构原理示意图。
图3是本发明的高口径效率和高功率容量的低剖面模式裂变天线的俯视结构原理示意图。
图4是具体应用实施例1在试验论证时的反射系数随频率变化线性关系图。
图5是具体应用实施例1在试验论证时的4.3GHZ天线口面场分布仿真图。
图6是具体应用实施例1在试验论证时的4.3GHZ天线口面场分布仿真图。
图7是具体应用实施例1在试验论证时的微波发射天线H面方向仿真图。
图8是具体应用实施例1在试验论证时的微波发射天线E面方向仿真图。
图9是具体应用实施例1在试验论证时的微波发射天线三维方向仿真图。
图中各标号表示：
1、HT功分结腔室；11、大长方体腔室；12、小长方体腔室；13、圆柱；14、斜坡部；2、阶梯阻抗变换腔室；21、隔板；22、台阶部；221、上矩形台阶部；222、下矩形台阶部；3、过膜波导腔室；4、石英波导窗口板。
具体实施方式
以下将结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。
如图1至图9所示，本发明提供一种高口径效率和高功率容量的低剖面模式裂变天线，包括从下至上依次布置且相连通的HT功分结腔室1、阶梯阻抗变换腔室2和过膜波导腔室3，HT功分结腔室1用于将传入的信号一分二等幅同相功分后再传入上方的阶梯阻抗变换腔室2内；阶梯阻抗变换腔室2内设有阶梯阻抗变换结构、以用于将传入的两路信号通过阶梯阻抗变换使微波模式由TE10模裂变为TE20模、并自然形成四路相互耦合的微波信号后再传入上方的过膜波导腔室3内；过膜波导腔室3的顶部开口处平铺有一块石英波导窗口板4、以用于将传入的四路微波信号等幅同相合成后传出。本发明的工作原理为：
微波信号从下方进入HT功分结腔室1内，先在HT功分结腔室1中进行一分二的等幅同相功分；功分后的两路信号进入上方的阶梯阻抗变换腔室2内，由于阶梯阻抗变换腔室2内设有阶梯阻抗变换结构，这使得两路信号通过阶梯阻抗变换段，实现微波模式由TE10到TE20的模式裂变变换，并且在阶梯阻抗变换段的开口处裂变形成四路相互耦合的微波信号；进入过膜波导腔室3内的四路微波信号在石英波导窗口板4处等幅同相合成，实现天线增益最大化和低剖面。通过以上特殊的结构设计，通过试验论证，与现有技术相比，本发明提出的微波发射天线口径效率超过94.9%；在口径尺寸和波长尺寸相同的情况下，本发明的天线具有更低的剖面高度，剖面高度仅相当于中心频点的1.37λ；本发明提出的微波发射天线在4.3GHz频点处的线极化增益达到14dB；本发明提出的微波发射天线功率具有245MW的高功率容量。
也即通过以上特殊的结构设计，使得本发明具有以下技术效果：本发明提出的微波发射天线能克服现有技术的线极化微波发射天线口径效率不高、功率容量不高、无法实现低剖面特性等不足，采用模式裂变的新方法新原理，具有结构简单紧凑，并且高口径效率、低剖面、高功率容量的优点，且提供的应用实例口径效率高于94%，功率容量大于200MW。使得本发明提出的微波发射天线在高功率微波电磁耐受性测试、高功率微波发射天线、高增益阵列天线以及高功率微波效应试验应用方面具有广阔应用前景。
如图1至图3所示，进一步，在较佳实施例中，HT功分结腔室1包括呈上下布置且相连通的大长方体腔室11和小长方体腔室12、以用于使HT功分结腔室1构成呈T形状的空心波导腔室，大长方体腔室11内对应小长方体腔室12顶部开口的中部处布置有一根圆柱13、以用于将从小长方体腔室12进入大长方体腔室11内的信号一分二等幅同相功分。呈T形状的空心波导腔室的特殊结构设计，使得信号从小长方体腔室12进入上方的大长方体腔室11内并通过处于中部的圆柱13的作用，实现了一分二等幅同相功分。
如图1至图3所示，进一步，在较佳实施例中，大长方体腔室11内于底板和侧板的连接处设有两条对称布置的斜坡部14，两条斜坡部14分别设于大长方体腔室11的底板的两条短边处、用于和圆柱13配合以便于对进入大长方体腔室11内的信号进行一分二等幅同相功分。由于大长方体腔室11是一个长方体，所以其底板势必有对称的两条短边和对称的两条长边，而本发明的两条斜坡部14分别设于两条短边处，并且如图所示是设于底板和侧板的连接处。两条斜坡部14的特殊设置，是为了和大长方体腔室11内的圆柱13配合，便于圆柱13位置进行功分，进而保证形成稳定的两路信号再传入上方的阶梯阻抗变换腔室2内裂变成四路微波信号。
如图1至图3所示，进一步，在较佳实施例中，阶梯阻抗变换腔室2横截面呈正方形，阶梯阻抗变换结构包括隔板21和两组台阶部22，每组台阶部22均包括呈上下布置的上矩形台阶部221和下矩形台阶部222，两组台阶部22呈对称的分别设于大长方体腔室11的顶部开口的两长边处上方，隔板21设于两组台阶部22的中部、用于将两组台阶部22均分。
由于大长方体腔室11横截面呈长方形，而阶梯阻抗变换腔室2横截面呈正方形，所以阶梯阻抗变换腔室2的底板势必会有两侧均凸出于大长方体腔室11。而为了保证大长方体腔室11和阶梯阻抗变换腔室2的连通，所以阶梯阻抗变换腔室2的底板上势必会开设和大长方体腔室11顶部开口相一致的缺口部。而本发明进一步在阶梯阻抗变换腔室2内、于大长方体腔室11的顶部开口的两长边处上方均设有一组台阶部22，并且每组台阶部22均包括呈上下布置的上矩形台阶部221和下矩形台阶部222。同时在阶梯阻抗变换腔室2内还设置了一块隔板21，隔板21设于两组台阶部22的中部，也即和下方的圆柱13上下平行设置。通过这个特殊的阶梯阻抗变换结构设计，使得从大长方体腔室11传来的两路信号通过阶梯阻抗变换段，实现模式自动裂变，即微波模式由TE10到TE20的模式变换，并且在阶梯阻抗变换段的开口处裂变形成四路微波发射信号。
如图1至图3所示，进一步，在较佳实施例中，隔板21的顶部伸入过膜波导腔室3内并和石英波导窗口板4底面接触。本实施例中，阶梯阻抗变换腔室2和过膜波导腔室3的横截面相同，并且阶梯阻抗变换腔室2和过膜波导腔室3之间没有底板、直接连通。伸入过膜波导腔室3内的隔板21一是进一步保证了裂变形成的四路微波发射信号在石英波导窗口板4处等幅同相合成后传出；二是对上方的石英波导窗口板4形成了很好的支撑，结构更加稳固。
在上述公开的技术特征的启示下，以下通过一个具体应用实施例进行说明：
如图1至图9所示，具体应用实施例：
在本实施例中，HT功分结腔室1包括呈上下布置且相连通的大长方体腔室11和小长方体腔室12、以用于使HT功分结腔室1构成呈T形状的空心波导腔室，腔室壁厚度为1.625mm。
小长方体腔室12是一个外观尺寸长、宽、高分别为50.8mm、25.4mm、18.375mm的空心长方体，其顶面与底面均开口，且顶面与大长方体腔室11居中对齐连接。
大长方体腔室11是一个外观尺寸长、宽、高分别为101.25mm、25.4mm、47.55mm的空心长方体，其顶面与底面均开口。大长方体腔室11的长边所在的两个面通过一根圆柱13连接，圆柱13半径为1.75mm，圆柱13位于大长方体腔室11长边的中心位置，距大长方体腔室11底面高度为19.89mm。大长方体腔室11底面的两条短边处均设有一条高度为13.88mm、倾斜角度为45°的呈三角形台面的斜坡部14。
阶梯阻抗变换腔室2是一个外观尺寸长、宽、高分别为101.25mm、101.25mm、27.07mm空心正方体。其底面与大长方体腔室11的顶面相连接，连接处开口，开口尺寸与大长方体腔室11顶部开口尺寸一致。连接处长边向两侧延伸形成对称的一段平面。对称的两侧平面上分别设有一组台阶部22，每组台阶部22均包括呈上下布置的上矩形台阶部221和下矩形台阶部222。下矩形台阶部222的尺寸为台阶面宽度17.22mm，台阶高度8.81mm。上矩形台阶部221尺寸为台阶面宽度6.63mm，台阶高度18.26mm。阶梯阻抗变换腔室2内部有一块厚度为2mm的隔板21，隔板21将内部空间均匀的分为两块，方向与下方的圆柱13在一条直线上。隔板21两侧边缘紧贴台阶部22。
过模波导腔室3是一个外观尺寸长、宽、高分别为101.25mm、101.25mm、19.09mm的空心正方体。在过模波导腔室3的顶部开口处，平铺有一块石英波导窗口板4。石英波导窗口板4的长、宽、厚度分别为101.25mm、101.25mm、4.69mm。
本具体应用实施例1的试验论证结果如下：
本实施例的微波发射天线的反射系数随频率变化线性关系仿真结果如图4所示，根据公式VSWR=(1+S11)/(1-S11)计算得到带内驻波不大于1.11。且微波发射天线的天线口面场分布如图5和图6所示，天线功率容量为245MW。且微波发射天线的方向图仿真结果如图7、图8和图9所示，天线在4.3GHz频点处的线极化增益达到14dB。根据公式G=4πAη/λ计算，天线在工作频带的口面效率超过94.9%。微波发射天线的剖面高度仅相当于中心频点的1.37λ。
综上，本具体应用实施例1提出的一种微波发射天线功率容量为245MW，在4.3GHz频点处的线极化增益达到14dB，口面效率超过94.9%，天线的剖面高度仅相当于中心频点的1.37λ。也即本发明提出的微波发射天线能克服现有技术的线极化微波发射天线口径效率不高、功率容量不高、无法实现低剖面特性等不足，具有结构简单紧凑，并且高口径效率、低剖面、高功率容量的优点。使得本发明提出的微波发射天线在高功率微波电磁耐受性测试、高功率微波发射天线、高增益阵列天线以及高功率微波效应试验应用方面具有广阔应用前景。
虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围的情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围内。

Claims (4)

1.一种高口径效率和高功率容量的低剖面模式裂变天线，其特征在于：包括从下至上依次布置且相连通的HT功分结腔室（1）、阶梯阻抗变换腔室（2）和过膜波导腔室（3），所述HT功分结腔室（1）用于将传入的信号一分二等幅同相功分后再传入上方的阶梯阻抗变换腔室（2）内；所述阶梯阻抗变换腔室（2）内设有阶梯阻抗变换结构、以用于将传入的两路信号通过阶梯阻抗变换使微波模式由TE10模裂变为TE20模、并形成四路相互耦合的微波信号后再传入上方的过膜波导腔室（3）内；所述过膜波导腔室（3）的顶部开口处平铺有一块石英波导窗口板（4）、以用于将传入的四路微波信号等幅同相合成后传出；所述HT功分结腔室（1）包括呈上下布置且相连通的大长方体腔室（11）和小长方体腔室（12）、以用于使HT功分结腔室（1）构成呈T形状的空心波导腔室，所述大长方体腔室（11）内对应小长方体腔室（12）顶部开口的中部处布置有一根圆柱（13）、以用于将从小长方体腔室（12）进入大长方体腔室（11）内的信号一分二等幅同相功分。
2.根据权利要求1所述的高口径效率和高功率容量的低剖面模式裂变天线，其特征在于：所述大长方体腔室（11）内于底板和侧板的连接处设有两条对称布置的斜坡部（14），两条所述斜坡部（14）分别设于大长方体腔室（11）的底板的两条短边处、用于和圆柱（13）配合以便于对进入大长方体腔室（11）内的信号进行一分二等幅同相功分。
3.根据权利要求1所述的高口径效率和高功率容量的低剖面模式裂变天线，其特征在于：所述阶梯阻抗变换腔室（2）横截面呈正方形，所述阶梯阻抗变换结构包括隔板（21）和两组台阶部（22），每组所述台阶部（22）均包括呈上下布置的上矩形台阶部（221）和下矩形台阶部（222），两组所述台阶部（22）呈对称的分别设于大长方体腔室（11）的顶部开口的两长边处上方，所述隔板（21）设于两组台阶部（22）的中部、用于将两组台阶部（22）均分。
4.根据权利要求3所述的高口径效率和高功率容量的低剖面模式裂变天线，其特征在于：所述隔板（21）的顶部伸入过膜波导腔室（3）内并和石英波导窗口板（4）底面接触。
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