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高功率径向线螺旋阵列天线研究

李相强  
【摘要】: 随着高功率微波技术的不断发展,高功率微波天线作为高功率微波系统终端体现的作用日益受到人们的重视。由于高功率微波的特殊性,高功率微波天线在保证良好辐射的前提下,还要满足包括高功率容量在内的许多特殊要求。为此,国内外进行了许多研究工作,提出了模式变换器接辐射喇叭、Vlasov天线和模式转换天线(如COBRA天线等)等高功率微波天线型式,然而它们都或多或少的存在各自的缺点,尚不能很好的满足高功率微波系统提出的越来越高的要求。经分析我们认为阵列天线应用于高功率微波领域有其独特的优势,有望解决高功率微波辐射中存在的许多问题,但传统的阵列天线因功分器和相移器的功率容量限制而不能直接使用。在这一背景下,本文首次提出了一种新型高功率径向线螺旋阵列天线,并对其进行了系统的理论、模拟和实验研究,通过研究验证了该天线设计思想的可行性,实现了天线的高功率容量、高效率、小型化和圆极化定向辐射,从而为高功率微波辐射提供了一种新的手段。 高功率径向线螺旋阵列天线采用在其轴向辐射圆极化波的短螺旋天线为辐射单元,使用径向线为馈电波导,利用新型耦合探针实现从径向线到单元天线的馈电,通过调节耦合探针的耦合量和转动短螺旋单元天线达到预定的激励幅度和辐射相位以实现微波的定向辐射,整个天线内避免介质的出现,并采用天线罩进行密封,使其处于真空状态,从而达到较高的功率容量。 新型耦合探针的使用是该天线中的重要技术创新之一,论文提出了采用新型耦合探针代替电耦合探针的思想,研究了磁耦合探针、L型电磁组合耦合探针等探针形式,分析了它们代替电耦合探针的可行性和优势,掌握了其基本的耦合原理和耦合规律,并成功地将其应用到了高功率径向线螺旋阵列天线的设计中,另外L型电磁组合耦合探针的提出还为机械相控阵列天线的设计提供了可能。 基于高功率径向线阵列天线的基本原理,论文对与该天线相关的基础理论进行了系统的总结和完善。对径向线和柱面喇叭波导的基本特性进行了研究,包括各模式的场方程、传播与截止条件、传输功率和衰减常数等:阐述了圆柱形螺旋天线的辐射机理和远区辐射场,分析了轴向模螺旋天线作为相移器的物理基础,指出了短螺旋天线在其轴向辐射良好圆极化波的条件;在同心圆环阵列天线基本原理的基础上,分析了单元极化特性对阵列天线方向性的影响,选择了等幅同相的单元激励原则。 论文使用模式匹配法对径向线内存在探针插入情况下的波导转换过程进行了简化的计算,得到了转化中产生的反射模式和透射模式的阶数与波导转换截面上探针个数的关系,同时对产生模式的传输特性进行了分析,得到了波导转换的最终效果,从而认识了径向线内高阶模产生的原因及其抑制条件,并由此探讨了确定阵列布局时需要遵循的原则。 通过对同轴-径向线转换器、单元天线、阵列布局等天线关键环节的合理优化,使它们满足了高功率的应用要求。以此为基础设计了36单元单层和双层径向线螺旋阵列天线,并对后者进行了实验研究。实验结果表明该天线在4.0GHz下增益为20.95dB,口径效率为57.96%,驻波系数为1.2;在3.8~4.2GHz的频带范围内,增益大于20.2 dB,口径效率大于45%,驻波系数小于1.5,实验结果与数值计算结果基本一致,从而初步验证了高功率径向线螺旋阵列天线的可行性。同时还通过比较认识了高阶模对单元耦合量的影响,分析了单层和双层径向线馈电各自的优缺点。 对36单元双层径向线螺旋阵列天线进行了功率容量分析,认识到由于口径面场强分布不均匀,天线的功率容量不能达到GW的量级。通过优化短螺旋单元天线、改进耦合探针形式和优化阵列布局等方法,提高了阵列天线中主要功率容量瓶颈的耐功率水平。以此为基础,模拟优化了磁耦合的4圈48单元径向线螺旋阵列天线和L型电磁组合耦合的3圈48单元径向线螺旋阵列天线,并对它们进行了实验研究。论文比较了模拟和实验结果,认识了结果中差异产生的原因,指出了阵列布局与天线性能的密切关系。后者的实验结果表明天线在4.0GHz下增益为24.61dB,轴比为1.4dB,口径效率为77.9%,驻波系数为1.05;在3.6~4.1 GHz的频带范围内增益大于23 dB,轴比小于1.65 dB,天线口径效率大于68%,驻波系数小于1.5。 论文最后以可输出GW量级微波的MILO为高功率微波源,对3圈48单元阵列天线进行了高功率实验验证,说明了其功率容量大于1GW,最终实现了GW级高功率微波的圆极化定向辐射。


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