專利名稱：高功率微波徑向線縫隙陣列天線的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及高功率微波技術領域的一種輻射天線，尤其是一種工作在高頻段的高功率微波徑向線縫隙陣列天線。
背景技術：
近年來，高功率微波(根據(jù)Benford和Swegle的約定，高功率微波指峰值功率大于100MW、頻率在f IOOGHz之間的電磁波)在眾多領域中的誘人前景引起了許多國家的廣泛關注和大量研究投入，并已取得極大的技術進步。目前，已經(jīng)提出的高功率微波應用多種多樣:高功率微波定向能武器、衛(wèi)星和空間平臺供能、小型深空探測器的發(fā)射、軌道飛行器高度改變推進系統(tǒng)等。迄今為止，高功率微波源的研究成果主要集中在L、S、C、X等波段，而發(fā)展更高頻率的高功率微波設備將是高功率微波研究領域的下一重點之一。結合高功率微波系統(tǒng)向高頻發(fā)展的趨勢，研制Ku波段等高頻緊湊型的高功率微波輻射天線顯得愈發(fā)迫切。由于商業(yè)應 用的推動，現(xiàn)有的Ku波段輻射天線研究成果主要集中在通信等低功率微波領域，以微帶陣列天線和縫隙陣列天線兩種形式為主。其中，微帶陣列天線難以獲得高增益和寬工作頻帶；并且無論是天線結構還是饋電結構，微帶陣列天線工作在毫米波或更高頻率的系統(tǒng)中時產(chǎn)生的損耗比較大?？p隙陣列天線具有主瓣寬度較窄、方向圖可以賦形、交叉極化電平較低和損耗低的特點；并且，這種天線加工簡單、結構緊湊、精度高、成本低、增益高且口徑分布容易控制，在雷達方案中獲得了廣泛應用；但此類天線由于未對功率容量進行專門設計，還不適宜直接應用到高功率微波領域。在現(xiàn)有的縫隙陣列天線中，具有代表性的是日本學者研制的Ku波段徑向線縫隙陣列天線M.Ando, K.Sakurai, N.Goto, K.Arimura, and Y.1t0.A radial line slotantennas for 12 GHz band satellite TV reception.1EEE Trans.Antennas PropagatjVol.AP-33, pp.1347-1353，Dec.1985.。該天線有雙層徑向線結構和單層徑向線結構兩種形式，為降低縫隙耦合結構處場強，便于高功率容量設計，著重采用雙層徑向線內(nèi)饋形式的結構。雖然這款天線已獲得應用，但在高功率微波領域應用中仍存在以下問題:1.徑向線慢波結構中含有介質(zhì)層，造成三結合點，易發(fā)生擊穿；2.縫隙處場增強大，限制功率容量；3.小口徑單模輸入，不容易滿足功率容量要求。針對這些技術難點，設計高功率的Ku波段徑向線縫隙陣列天線需要:1.設計新型徑向線慢波傳輸波導，去除介質(zhì)層；2.在保證原有縫隙單元良好輻射特性的基礎上，對局部尖銳結構做出改進設計；3.改進輸入口設計，同時克服由于輸入口增大帶來的高階模反射問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術問題是克服現(xiàn)有高功率微波天線緊湊化程度不高，體積重量不能滿足某些武器應用的不足，提供一種結構緊湊、具有高功率容量的新型徑向線縫隙陣列天線。本發(fā)明的技術方案是:
本發(fā)明高功率微波徑向線縫隙陣列天線包括同軸輸入波導、徑向線漏波波導和天線罩，其中，同軸輸入波導的輸出端口接徑向線漏波波導的輸入端口，徑向線漏波波導的輸出端口由天線罩密封。所述同軸輸入波導包括輸入內(nèi)導體、輸出內(nèi)導體、同軸支撐桿和外導體，所述徑向線漏波波導包括漏波波導底板、軸線支撐桿、徑向線慢波結構和縫隙陣列口面，軸線支撐桿與同軸輸入波導的輸入內(nèi)導體相連，固定徑向線漏波波導于中心軸線上；漏波波導底板外沿處附近，刻有反射抵消螺旋凹槽；徑向線慢波結構呈同心圓環(huán)波紋狀，邊緣結構倒圓角，中心處由軸線支撐桿穿過；縫隙陣列口面由邊緣倒圓角的“膠囊型”縫隙單元所設計的螺旋線路徑排列構成，縫隙陣列口面的外半徑與漏波波導底板輸出口的內(nèi)半徑配合，卡入漏波波導底板，中心處由軸線支撐桿穿過，并由軸線支撐桿的腰部臺階將縫隙陣列口面與徑向線慢波結構隔開。所述天線罩包括頭罩和中心支撐桿，中心支撐桿連接徑向線漏波波導的軸線支撐桿，固定縫隙陣列口面，同時支撐天線頭罩；縫隙陣列口面卡入天線頭罩，漏波波導底板外沿與天線頭罩外沿為法蘭結構，加入密封圈后固定。

特別地，所述高功率微波徑向線縫隙陣列天線還滿足以下條件:所述徑向線慢波結構:徑向線漏波波導的高度H，慢波結構的周期P，慢波葉片寬度d，深度h等參數(shù)，都需要根據(jù)具體要求的慢波系數(shù)與功率容量進行選擇，H、P和h的值越大，功率容量越高。其應滿足0.2入?！矗。　处?δλνΟ.δλ。、Ag = P〈入。，0.2入8〈11〈
0.5 λ g，0.1 λ g〈 d〈 0.5 λ g，參數(shù)過小會造成波紋間電場集中，過大則會影響縫隙的耦合作用。具體應用時實際應用時要根據(jù)具體工作條件進行選擇，它能夠承受的功率容量值采用電磁仿真軟件(如CST)仿真得到。所述輻射單元的結構，縫隙結構為邊緣倒圓角的膠囊型寬縫，圓角半徑R，逢寬W，逢長L。W過小會造成縫間電場集中，間距過大則會破壞福射單元的圓極化福射方向圖特性；R適當增大可以顯著降低邊緣處場強，但R過大也會破壞輻射單元的圓極化輻射方向圖特性。其應滿足0.3入。< L < 0.5 A0, 0.125 A0 < W < 0.25 A0,0.5mm < R< 3mm，參數(shù)過小會造成縫隙間電場集中，過大則會影響輻射特性。具體應用時，W、L和R由電磁仿真軟件優(yōu)化設計。所述反射抵消螺旋凹槽的結構，螺旋槽的徑向間距等于自由空間波長，槽寬a和槽深b在保證高功率容量條件下，控制反射波幅值大??；螺旋槽半徑r則控制反射波相位。優(yōu)化的目標為:整體輻射系統(tǒng)傳輸時具有盡量小的反射系數(shù)(〈_20dB)。螺旋槽曲線方程如下:
I χ = (X1J12;r + ,.)sin(/)； ； , 、'/、 ^[-2π,2π]
=(々/ 2^- + r)cos(/)作為本發(fā)明的進一步改進，本發(fā)明提供的高功率微波徑向線縫隙陣列天線還包括TM01至TEM的模式轉(zhuǎn)換器。該模式轉(zhuǎn)換器包括漸變段波導、輸出圓波導和錐形圓臺。本發(fā)明的有益效果為:微波以TEM(transverseelectronic and magnetic mode)模式由同軸過模波導輸入，經(jīng)雙層徑向線波導折疊轉(zhuǎn)換，在波導上層實現(xiàn)微波徑向內(nèi)饋。天線口面螺旋排列的縫隙單元陣列切割徑向電場，實現(xiàn)遠場同相疊加的圓極化輻射，本發(fā)明的整體軸向尺寸小，結構緊湊。由于徑向線慢波結構的作用，減小了徑向線波導波長，抑制了縫隙陣列柵瓣的產(chǎn)生。因?qū)捒p縫隙陣列激勵起的高階反射模則由下層波導中的反射抵消螺旋槽抑制，整體天線有較高的輻射效率。而縫隙單元結構的改進與天線罩的真空密封，使得整個輻射系統(tǒng)有較高的功率容量，可以滿足高功率微波領域中的應用需求。與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明反射小，輻射效率高，功率容量大幅提升，可以應用于高頻段的聞功率微波福射系統(tǒng)中。


圖1為本發(fā)明具體實施例一提供的高功率微波縫隙陣列天線的結構原理圖；圖2—圖4為徑向線漏波波導示意圖；圖5—圖6為縫隙單元結構示意圖；圖7—圖8為反射抵消螺旋槽結構示意圖；圖9為本發(fā)明具體實施例二提供的高功率微波縫隙陣列天線的結構原理圖。
具體實施例方式實施方式例一:本發(fā)明高功率微波徑向線縫隙陣列天線包括同軸輸入波導、徑向線漏波波導和天線罩。同軸輸入波導的輸出端口接徑向線漏波波導的輸入端口，徑向線漏波波導的輸出端口由天線罩密封。同軸輸入波導由輸入內(nèi)導體1、外導體2、同軸支撐桿3和輸出內(nèi)導體4構成，輸入內(nèi)導體I與輸出內(nèi)導體4螺紋連接，并卡住同軸支撐桿3。徑向線漏波波導由軸線支撐桿5、漏波波導底板6、徑向線慢波結構7和縫隙陣列口面8構成。軸線支撐桿5與同軸輸入波導的輸出內(nèi)導體4螺紋連接，固定徑向線漏波波導于中心軸線上；漏波波導底板6外沿處附近，刻有反射抵消螺旋凹槽；徑向線慢波結構7呈同心圓環(huán)波紋狀，邊緣結構倒圓角，中心處由軸線支撐桿5穿過；縫隙陣列口面8由邊緣倒圓角的“膠囊型”縫隙單元經(jīng)所設計的螺旋線路徑排列構成，縫隙陣列口面8的外半徑與漏波波導底板6輸出口的內(nèi)半徑配合，卡入漏波波導底板6，中心處由軸線支撐桿5穿過，并由軸線支撐桿5的腰部臺階將縫隙陣列口面8與徑向線慢波結構7隔開。天線罩由中心支撐桿9和頭罩10構成，中心支撐桿9連接徑向線漏波波導的軸線支撐桿5，固定縫隙陣列口面8，同時支撐天線頭罩10 ;縫隙陣列口面8卡入天線頭罩10，漏波波導底板6外沿與天線頭罩10外沿為法蘭結構，加入密封圈后固定。如圖2中徑向線漏波波導所示，新型徑向線慢波結構7呈同心圓環(huán)波紋狀，由輸出內(nèi)導體4、軸線支撐桿5固定，邊緣均采用倒圓角結構。如圖5所示，新型縫隙輻射單元采用邊緣倒圓角的“膠囊型”結構，在保證了縫隙單元作為具有良好方向圖特性的圓極化輻射單元的條件下，消除了局部場增強結構，大幅提升縫隙單元功率容量。如圖4所示，高階模反射抵消設計采用等距螺旋反射槽結構，其刻于徑向線漏波波導中漏波波導底板6外沿附近，盡可能增加系統(tǒng)帶寬，提高輻射效率。邊緣均采用倒圓角結構。實施方式例二:
如圖5所示，針對輸出模式為TMcu (transverse magnetic 01 mode)模的過模高功率微波源，由于所設計的高功率微波天線為同軸輸入端口，為實現(xiàn)口徑匹配，需在微波源與天線增加一段TMtll至TEM的模式轉(zhuǎn)換器。該模式轉(zhuǎn)換器由高階模抑制段11和TMtll至TEM過渡段組成。TMtll至TEM過渡段由外導體2與錐形圓臺12構成，錐形圓臺12與輸出內(nèi)導體4螺紋連接，并卡住同軸支撐桿3。國防科技大學設計了中心頻率為12GHz (對應微波波長為25mm)的高功率微波徑向線縫隙陣列天線，其口徑D =400mm,厚度I =100_。徑向線慢波結構周期P =5mm,高度H=4mm,葉片寬度d =2.5mm,深度h =2.9mm。反射抵消螺旋槽寬度a =3mm,深度b =4mm。整體輻射系統(tǒng)實現(xiàn)口徑效率50%以上，軸比小于1.5，中心頻點處輻射效率大于99%，系統(tǒng)功率容量大于500MW。由上述結果可知，本發(fā)明這種實施方式具有反射小，功率容量高的特點。以上，向熟悉本技術領域的人員提供本發(fā)明的描述，以使他們易于理解與運用本發(fā)明。對于熟悉本技術領域的人員，對這些實施的各種變更是顯而易見的，而無需創(chuàng)造性的勞動。因此，本發(fā)明并不限定在這里所述的方案，而是與所述的權利要求一致的范圍。
權利要求
1.高功率微波徑向線縫隙陣列天線，包括同軸輸入波導、徑向線漏波波導和天線罩，其特征在于，同軸輸入波導的輸出端口接徑向線漏波波導的輸入端口，徑向線漏波波導的輸出端口由天線罩密封， 所述同軸輸入波導包括輸入內(nèi)導體、輸出內(nèi)導體、同軸支撐桿和外導體， 所述徑向線漏波波導包括漏波波導底板、軸線支撐桿、徑向線慢波結構和縫隙陣列口面，軸線支撐桿與同軸輸入波導的輸入內(nèi)導體相連，固定徑向線漏波波導于中心軸線上；漏波波導底板外沿處附近，刻有反射抵消螺旋凹槽；徑向線慢波結構呈同心圓環(huán)波紋狀，邊緣結構倒圓角，中心處由軸線支撐桿穿過；縫隙陣列口面由邊緣倒圓角的縫隙單元所設計的螺旋線路徑排列構成，縫隙陣列口面的外半徑與漏波波導底板輸出口的內(nèi)半徑配合，卡入漏波波導底板，中心處由軸線支撐桿穿過，并由軸線支撐桿的腰部臺階將縫隙陣列口面與徑向線慢波結構隔開， 所述天線罩包括頭罩和中心支撐桿，中心支撐桿連接徑向線漏波波導的軸線支撐桿，固定縫隙陣列口面，同時支撐天線頭罩；縫隙陣列口面卡入天線頭罩，漏波波導底板外沿與天線頭罩外沿為法蘭結構，加入密封圈后固定。
2.根據(jù)權利要求1所述的高功率微波徑向線縫隙陣列天線，其特征在于，所述徑向線慢波結構:徑向線漏波波導的高度仏慢波結構的周期/7、深度A參數(shù)、慢波葉片寬度6滿足0.2 λ 0〈 "〈 0.5 λ 0，0.5 λ 0〈 λ g = /7〈 λ 0，0.2 λ g〈力〈0.5 λ g，0.1 λ g〈 /〈 0.5 λ g。
3.根據(jù)權利要求1所述的高功率微波徑向線縫隙陣列天線，其特征在于，所述輻射單元的結構，縫隙結構為邊緣倒圓角的膠囊型寬縫，圓角半徑A逢寬I逢長滿足0.5mm <R< 3mm , 0.125 λ 0〈 F〈 0.25 λ 0，0.3 λ 0〈 Z〈 0.5 λ 0。
4.根據(jù)權利要求1所述的高功率微波徑向線縫隙陣列天線，其特征在于，所述反射抵消螺旋凹槽的結構，螺旋槽的徑向間距等于自由空間波長，槽寬a和槽深6在保證高功率容量條件下，控制反射波幅值大小；螺旋槽半徑r則控制反射波相位，整體輻射系統(tǒng)傳輸時具有小于_20dB的反射系數(shù)，螺旋槽曲線方程如下: \χ=(λ. i 2π+ r) sin fi) \J = [-2,χ2π]。二 / 2TT+rJ cos 1:f)
5.根據(jù)權利要求1所述的高功率微波徑向線縫隙陣列天線，其特征在于，高功率微波徑向線縫隙陣列天線包括TMtll至TEM的模式轉(zhuǎn)換器，該模式轉(zhuǎn)換器包括漸變段波導、輸出圓波導和錐形圓臺。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種高頻段的高功率微波徑向線縫隙陣列天線。該天線包括同軸輸入波導、徑向線漏波波導和天線罩，其中，同軸輸入波導的輸出端口接徑向線漏波波導的輸入端口，徑向線漏波波導的輸出端口由天線罩密封。微波以TEM(transverse electronic and magnetic mode)模式由同軸過模波導輸入，經(jīng)雙層徑向線波導折疊轉(zhuǎn)換，在波導上層實現(xiàn)微波徑向內(nèi)饋。天線口面螺旋排列的縫隙單元陣列切割徑向電場，實現(xiàn)遠場同相疊加的圓極化輻射，整體軸向尺寸小，結構緊湊。由于徑向線慢波結構的作用，減小了徑向線波導波長，抑制了縫隙陣列柵瓣的產(chǎn)生。因?qū)捒p縫隙陣列激勵起的高階反射模則由下層波導中的反射抵消螺旋槽抑制，整體天線有較高的輻射效率。而縫隙單元結構的改進與天線罩的真空密封，使得整個輻射系統(tǒng)有較高的功率容量，可以滿足高功率微波領域中的應用需求。
文檔編號H01Q13/10GK103151620SQ20131004371
公開日2013年6月12日 申請日期2013年2月4日 優(yōu)先權日2013年2月4日
發(fā)明者袁成衛(wèi), 彭升人, 張強 申請人:中國人民解放軍國防科學技術大學