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新型高功率微波共轴模式转换器及模式转换天线研究

袁成卫  
【摘要】: 目前,多数高功率微波源(如虚阴极振荡器、相对论返波管、磁绝缘线振荡器等)产生的微波模式都为旋转轴对称模,如圆波导TM_(01)和同轴TEM模等。这些模式若直接发射或用于驱动一些传统天线,将产生轴向为零的环状远场方向图,其能量分散、增益低,不利于高功率微波的定向发射与传输。为此,通常要应用高功率微波模式转换器将TM_(01)或同轴TEM模转变为易于定向发射的圆波导TE_(11)模,再向外发射,或者采用特殊结构的模式转换天线直接辐射。然而,到目前为止,几种高功率微波模式转换器或模式转换天线,如双弯曲型模式转换器、Vlasov天线(转换器)和COBRA天线等.尚不能很好地解决天线的共轴发射或紧凑化设计等问题。在此背景下,本文提出了一种新型共轴模式转换器一一同轴插板式模式转换器,它通过在同轴波导内插入几块金属板实现模式转换,具有转换效率高、输出与系统共轴、结构紧凑以及实现容易等优点。论文对该模式转换器进行了详细的理论分析、数值仿真和实验研究,并在此基础上提出了更为紧凑的、集模式转换和定向发射于一体的模式转换天线。另外,为了实现模式转换器输出圆波导TE_(11)模的定向辐射,论文还研究了一种紧凑型的介质透镜喇叭天线。论文的研究内容主要包括以下几个方面: 1.提出并系统地研究了同轴插板式模式转换器。 首次提出了通过改变同轴波导内不同区域相位实现模式转换的思想,设计了同轴插板式模式转换器的基本结构。对同轴插板式TEM—TE_(11)模式转换器进行了系统的分析,包括模式转换器内发生的各个模式转换过程、模式转换器的反射特性以及频率特性等,得到了许多有益的结论。设计了同轴插板式TM_(01)—TE_(11)模式转换器,并对其进行了详细的数值仿真和实验研究。该模式转换器在中心频率上转换效率大于99%,转换效率大于90%的带宽超过15%。实验结果与理论分析基本一致。在工程设计上,实现了该模式转换器和虚阴极振荡器的一体化设计,在实验中获得了输出为TE_(11)模的高功率微波,微波功率大于1GW。 2.为了实现圆波导TE_(11)模的定向发射,研究和设计了紧凑型介质透镜喇叭天线。 通过分析比较得出,利用口径上加载介质透镜的圆锥喇叭可以设计出辐射圆波导TE_(11)模的紧凑型高功率微波天线。用射线法建立了介质透镜喇叭天线辐射场的计算方法,并对几种不同形式的介质透镜进行了计算、分析和比较。结果表明,平凸型介质透镜喇叭天线可以在较小的轴向尺寸下获得较高的增益,其反射也最小。所设计的平凸型介质透镜喇叭天线在2.5~7.0GHz的频率范围内口径效率大于75%,反射小于-17dB。在4GHz时,该天线的长度和口径面积仅分别相当于同增益圆锥喇叭的约47%和63%。对由此喇叭天线和前述TM_(01)—TE_(11)模式转换器所组成的辐射系统进行了实验研究,获得了理想的结果。 3.引入了一种结构紧凑的同轴喇叭结构,并由此提出了一种新型模式转换天线。 为了进一步缩小发射系统的体积、减轻其重量,引入了一种可以辐射同轴TE_(11)模的紧凑型同轴圆锥喇叭,该喇叭可以和缩短了的同轴插板式模式转换器有机结合,设计出结构紧凑的模式转换天线。此处,模式转换器能够缩短是由于它输出同轴TE_(11)模,而不需将同轴TE_(11)模进一步转变为圆波导TE_(11)模。对同轴喇叭进行了系统的研究,结果表明,该喇叭具有纵向尺寸短、口径效率高、频带宽和副瓣小等优点。设计了中心频率为1.76GHz的模式转换天线,天线的理论增益为17.6dBi,口径效率大于77%,天线的冷测结果与数值计算结果一致性较好。同时还进行了该天线与高功率微波源MILO的联合实验,获得了轴向辐射的高功率微波笔形射束,微波功率大于3GW。同时,为了满足在更多情况下的应用需求,论文还进行了高频、大尺寸情况下模式转换天线的设计,进一步扩展了同轴插板式模式转换结构的应用范围。 4.提出了圆极化模式转换器并进一步设计了圆极化模式转换天线。 通过增加插板数量、改变插板之间的长度关系,首次提出和设计了把同轴TEM模转变为圆极化TE_(11)模的圆极化模式转换器。将其与同轴喇叭结合,构成了圆极化模式转换天线。优化设计了中心频率为4GHz的两种形式的圆极化模式转换天线,第一种天线结构简单,第二种天线则相对紧凑。其中,第一种天线在长度38.5cm、口径32.0cm的尺寸下获得了增益为19.3dBi、口径效率为47.4%的理论计算结果;而优化设计的紧凑型天线则在长度33.0cm、口径30.8cm的结构尺寸下获得了增益为19.8dBi、口径效率为57.7%的理论结果。对紧凑型天线进行了实验测量,测量结果与计算结果基本一致。此外,还设计了将同轴TEM模转变为圆波导TE_(11)模的高效率圆极化模式转换器,在中心频率4.05GHz上,该转换器的转换效率为99%,轴比为1.01;在3.80~4.35GHz的频率范围内,其转换效率大于90%(带宽约为13.6%),轴比小于1.40。


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