CN1288799C - 高功率圆形槽波导天线 - Google Patents

Abstract

高功率圆形槽波导天线是一种在微波通信、微波雷达中应用的微波发射和接收装置，其中有两条绝缘条(1)分别位于两金属平板(2、5)内的两侧，使金属平板之间留有一段空间(7)，该空间沿圆形槽波导天线的轴线方向分为两段，一段为矩形空间(71)，另一段为梯形空间(72)；在绝缘条内侧，还分别设有尖劈形匹配负载(3)，该两尖劈形匹配负载的尖劈端(31)沿圆形槽波导天线的轴线方向朝向圆形槽波导天线的内空间，尖劈的长度是所使用的电磁波工作半波长的整数倍，尖劈的宽度在矩形空间中与矩形空间相同，在梯形空间中与梯形空间同步变化；在两金属平板的内侧沿圆形槽波导天线的轴线上设有一个圆形孔(6)，该圆形孔在矩形空间中为圆柱状，在梯形空间中为圆锥状。

Description

高功率圆形槽波导天线

                        一、技术领域

本发明是一种在微波通信、微波雷达中应用的微波发射和接收装置，属于微波、毫米波、亚毫米波通信器材制造的技术领域。

                        二、背景技术

微波、毫米波和亚毫米波波段有多种类型的传输波导，例如矩形波导、圆波导，它们都有建立在各自波导基础上的天线，例如矩形波导喇叭天线，圆波导喇叭天线、圆形槽波导作为一种新型波导也有自己的天线，如我们已经发表过的论文圆形槽波导喇叭天线，在相同工作频率下它与矩形波导喇叭天线和圆波导喇叭天线相比有横截面积大，传输功率容量高和工作频带宽等优点。

但是圆形槽波导喇叭天线是建立在原来的圆形槽波导基础上的天线，因此圆形槽波导存在的技术不足同样在圆形槽波导天线上表现出来。已发表的圆形槽波导天线是理论分析用的模型，它没有隔开二块金属平板的绝缘条，当电磁波沿着圆形槽波导天线传播时(即沿圆形槽孔轴线方向和圆锥喇叭轴线方向，以下简称轴线方向)，电磁波主模的边缘场和由于某种不均匀性而产生的高次模会向圆槽两侧金属平板边缘方向传播。(即沿垂直於圆锥喇叭轴线方向，以下简称垂直方向)当电磁波到达金属平板边缘时，由于电气性能不匹配，一部分电磁波被反射回槽区，干扰主模的正常工作；另一部分电磁波逸出波导和喇叭侧壁，造成电磁污染。即现有圆形槽波导天线的金属平板边缘会由于不匹配，引起部分电磁波反射回圆槽区干扰主模工作；也有部分电磁波越过金属平板边缘，逸出波导造成电磁污染。

                        三、发明内容

1、技术问题

本发明的目的在於针对现有技术之不足，提供一种高功率圆形槽波导天线，该圆形槽波导天线既能抵消边缘场和高次模的反射从而不影响圆形槽波导天线内主模的工作，又能全部吸收穿透进入尖劈形匹配负载的电磁波，消除了它逸出波导污染空间的害处。

2、技术方案

本发明根据圆形槽波导天线理论设计而成，包括绝缘条、金属平板、螺栓、尖劈形匹配负载。有两条绝缘条分别位于两金属平板内的两侧，使金属平板之间留有一段空间，该空间沿圆形槽波导天线的轴线方向分为两段，一段为矩形空间，另一段为梯形空间；在绝缘条内侧，还分别设有尖劈形匹配负载，该两尖劈形匹配负载的尖劈端沿圆形槽波导天线的轴线方向朝向圆形槽波导天线的内空间，尖劈的长度是所使用的电磁波工作半波长的整数倍，尖劈的宽度在矩形空间中与矩形空间相同，在梯形空间中与梯形空间同步变化；在两金属平板的内侧沿圆形槽波导天线的轴线上设有一个圆形孔，该圆形孔在矩形空间中为圆柱状，在梯形空间中为圆锥状。

尖劈形匹配负载对于小功率的圆形槽波导天线，尖劈形匹配负载是干负载，用石墨或其它强烈吸收微波、毫米波、亚毫米波的固体材料制成。

尖劈形匹配负载对于中、高功率的圆形槽波导天线，尖劈形匹配负载是水负载，用石英玻璃吹制成所需的形状，并设有进、出水管，经过进、出水管通以流水。尖劈形匹配负载可以制成一个整体结构，也可以横向分割成独立的多段，或制成一个个独立的子锥体分布於介质条的内侧壁。

圆锥孔的直径沿长度方向(即圆孔的轴线方向，简称轴线方向)按圆锥轴线与母线成α角逐渐扩大至所需直径D，α的变化范围是3°＜α＜35°呈喇叭状成为圆形槽波导天线。

高功率圆形槽波导天线是由一段圆形槽波导沿圆形槽轴线方向按圆锥轴线与母线成α角逐渐扩大至所需直径D并形成通孔而成，电磁波首先在圆形槽波导内传播，然后经喇叭传播之后辐射到自由空间，按照电磁理论分析知道，主模的电磁场强度在沿着金属平板边缘方向(即垂直於圆孔轴线方向)是呈现指数衰减规律分布，也就是说主模的边缘场，要通过金属平板的缝隙漏入自由空间，如果主模的传输功率很大如千瓦级甚至更大，那么漏入自由空间的电磁场能量十分可观，远远超过规定的安全标准，对人体对电子设备均十分有害。另外由于某种原因而产生的一些高次模会向金属平板边缘方向(即垂直於圆孔轴线方向)传播而逸出波导，如果传输的功率容量很大时，即使是高次模它所带电磁能量也相当可观，因此也同样有害。

原来的圆形槽波导天线二端的金属平板或是不装介质条(这是理论分析时用的模型，实际制成天线总是要加介质条)或是所装的介质条内侧是一个平面，这样结构在电磁理论上叫做不匹配，主模的边缘场或高次模从圆形槽波导天线的圆槽区到达金属平板边缘时，一部分逸出波导进入自由空间造成有害的电磁污染，另一部分反射回圆形槽波导的圆槽区干扰主模工作并降低天线的性能。

3、有益效果

本发明除了继续保持圆形槽波导天线功率容量高和频带宽等优点之外，还有下述优点：

(1)电磁波沿着圆形槽波导天线轴线传播时，电磁波主模的边缘场和由于某种不均匀性而产生的高次模会向圆槽两侧金属平板边缘方向(即轴线的垂直方向)传播，尖劈形匹配干负载和尖劈形匹配水负载能抵消反射，从而不会引起干扰天线圆槽区主模的工作。

(2)对透入尖劈形干负载或水负载的电磁波，会被强吸收电磁波的材料大量吸收，没有电磁波从不希望的金属板边缘方向逸出波导，消除了电磁污染。

                        四、附图说明

图1为本发明圆形槽波导天线的主视图，图2是图1的右视图，图3是图2中A-A向的剖视图，图4是图1中B-B向的剖视图，其中有绝缘条1；金属平板2、5；尖劈形的匹配负载3；尖劈端31；螺栓4；圆形孔6；圆锥孔61；矩形空间71，梯形空间72。金属平板宽度W、金属平板高度H；尖劈端高W₃；尖劈底座高W₂；绝缘条高W₁；尖劈底座宽W₁；尖劈端宽H₂；尖劈端两侧尖劈底座边宽H₃、圆形孔的长度H₆。

图5是尖劈形匹配干负载的结构示意图，图6是与尖劈形匹配干负载相配套使用的绝缘条的结构示意图。

图7是尖劈形匹配水负载的结构示意图，图8是与尖劈形匹配水负载相配套使用的绝缘条的结构示意图。其中有进、出水通孔32。

                       五、具体实施方式

本发明的高功率圆形槽波导天线包括绝缘条、金属平板、螺栓、尖劈形匹配负载，其中有两条绝缘条1分别位于两金属平板2、5内的两侧，使金属平板2、留5之间有一段空间7，该空间7沿圆形槽波导天线的轴线方向分为两段，一段为矩形空间71，另一段为梯形空间72；在绝缘条1内侧，还分别设有尖劈形匹配负载3，该两尖劈形匹配负载3的尖劈端31沿圆形槽波导天线的轴线方向朝向圆形槽波导天线的内空间，尖劈的长度是所使用的电磁波工作半波长的整数倍，尖劈的宽度在矩形空间71中与矩形空间71相同，在梯形空间72中与梯形空间72同步变化；在两金属平板2、5的内侧沿圆形槽波导天线的轴线上设有一个圆形孔6，该圆形孔6在矩形空间71中为圆柱状，在梯形空间72中为圆锥状。

取两块加工后尺寸相同的金属平板2、5，材料可采用铜、黄铜、合金铝等良导体。平板长度可根据实际需要而定，只要加工工艺做得到，平板的宽度W和高度H与传输的工作波长λ有关，W＝9.3λ～60λ，H＝0.6λ～41.6λ，λ为自由空间波长，金属平板2、5二边的边缘用螺栓4固定，在端面的上、下方，以二平面接触的边界线为中心线，沿长度方向(即中心圆孔的轴线方向)上、下各铣一条宽为W₁+W₂＝0.15λ～15λ，高为H₁＝h₂+2h₃＝0.4λ～21.6λ的长槽W₁＝0.1λ～10λ， $W_2=\frac{1}{2}{W}_1,$ h₂＝0.2λ～1.6λ，h₃＝0.1λ～10λ。然后在端面的对称中心，用镗床镗一个圆形孔6，圆形孔的直径为0.62λ～2.02λ，圆形孔的长度为H₆＝0.1λ～10λ，圆锥轴线与母线成α角，并保持α角不变，逐渐扩大圆锥喇叭天线口面至所需直径D并形成圆锥孔61，此时圆锥顶点到天线口面的距离是L。3°＜α＜35°，H₂＝0.2D～0.8D，将；螺栓4拆下，每块金属平板有孔的一侧在铣床上精密加工铣去h₂高度的一半，形成一个新的平面，在离端面H₆处，H₆＝0.1λ～10λ，在二块金属平板上分别加工铣出一个与新的平面成β倾角的平面，1°≤β≤15°这样加工后的二块金属平板即为所需的金属平板2、5。

尖劈形匹配负载3是用来吸收电磁波的关键部分，这里分干负载和水负载二种。干负载用於传输小功率的情况，它用石墨或其它吸收电磁波的固态材料制成，而水负载用于传输中、大功率的情况，它用石英玻璃吹制成所需尖劈形状，它有进、出水管通以流水而制成，整个负载的长度与圆形槽波导天线相同，尖劈长度W₃＝0.5λ～4λ。尖劈形匹配负载3可以制成一个整体结构，也可以横向分割成独立的多段，或制成一个个独立的子锥体分布於介质条的内侧壁。

绝缘条1是用来隔开金属平板2、5的，它与圆形槽波导天线的长度相同，材料可用胶木，陶瓷等绝缘材料做成。其中用于水负载的绝缘条，其上有二孔，让水负载的进、出水管通过。

Claims (2)

1.一种高功率圆形槽波导天线，包括绝缘条、金属平板、螺栓，其特征在于有两条绝缘条(1)分别位于两金属平板(2、5)内的两侧，使金属平板(2、5)之间留有一段空间(7)，该空间(7)沿圆形槽波导天线的轴线方向分为两段，一段为矩形空间(71)，另一段为梯形空间(72)；在绝缘条(1)内侧，还分别设有尖劈形匹配负载(3)，该两尖劈形匹配负载(3)的尖劈端(31)沿圆形槽波导天线的轴线方向朝向圆形槽波导天线的内空间，尖劈的长度是所使用的电磁波工作半波长的整数倍，尖劈的宽度在矩形空间(71)中与矩形空间(71)相同，在梯形空间(72)中与梯形空间(72)同步变化；在两金属平板(2、5)的内侧沿圆形槽波导天线的轴线上设有一个圆形孔(6)，该圆形孔(6)在矩形空间(71)中为圆柱状，在梯形空间(72)中为圆锥状。

2、根据权利要求1所述的高功率圆形槽波导天线，其特征在于尖劈形匹配负载(3)可以制成一个整体结构，也可以横向分割成独立的多段，或制成一个个独立的子锥体分布於绝缘条(1)的内侧壁。

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