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同轴馈电双波段馈源系统的研究

张强  
【摘要】: 随着高功率微波技术向多波段方向发展,双波段或多波段辐射系统就成为高功率微波天线的一个发展方向,研究利用过模波导馈电、具有高功率容量的双波段、多波段天线具有重要意义。本文提出了一种同轴馈电的双波段喇叭馈源,它可将高功率微波源产生的不同频段的微波以较好的方向图辐射出去,并共用一个反射面。此外,目前多数高功率微波源产生的微波模式都为旋转轴对称模,其中较多的是圆波导TM_(01)模和同轴TEM模,这些模式如果直接辐射出去将产生轴向为零的环状远场方向图,旁瓣电平高、能量分散,不能有效地集中在目标上。因此,在高功率微波源和双波段馈源之间,模式转换器和一定结构的馈线系统是必不可少的。本文针对两种不同的双波段微波产生方式,设计了两种从微波源到馈源喇叭间的馈线结构,重点是其中模式转换器的设计,然后对一种双波段馈源结构进行了详细分析和设计。研究内容主要包括以下几个方面: 1、双波段馈线结构及其模式转换器的设计 对于共轴输出双波段微波产生方式,设计了一种同轴双波段模式转换器及高功率微波馈线结构。根据同轴插板式模式转换器的工作原理,设计了中心频率分别为1.75GHz和4.15GHz的两个模式转换器,分别实现同轴TEM模—同轴TE_(11)模、圆波导TM_(01)模—圆波导TE_(11)模式的转换,并进行了整体装配和详细的系统仿真。中心频率处的转换效率分别为97.0%(1.75GHz)和98.7%(4.15GHz),转换效率超过90%的带宽分别为10.29%(1.75GHz)和9.88%(4.15GHz)。 对于非共轴输出双波段微波产生方式,为实现对同轴双波段馈源馈电,设计了一种两个圆波导端口输入、一个同轴结构双波段输出的馈线结构,该结构既可实现模式转换,又可实现两个分离的微波源到同轴馈源喇叭之间的连接。首先理论推导出了输入输出共轴的三弯曲圆波导TM_(01)模—TE_(11)模式转换器功率转换效率公式,以此为依据设计了一个中心频率为4.15GHz的模式转换器,并建立模型验证。该模式转换器小于25cm×10cm,中心频率处的转换效率为99.3%,转换效率超过90%的带宽为8.06%,仿真结果和理论计算结果吻合较好。结合波导中模式转换的基本规律,采用分段设计再整体优化的方法设计了一个以矩形波导TE_(10)模为过渡模式、中心频率为1.75GHz的圆波导TM_(01)模—同轴TE_(11)模式转换器,仔细分析了它的应用背景,并对其工作带宽、转换效率等因素进行了详细的数值仿真研究。该模式转换器在中心频率处的转换效率为98.8%,转换效率超过90%的带宽为11.43%。本文设计的几种模式转换器均具有GW级功率容量,满足高功率微波应用需求。 2、双波段喇叭馈源的设计 通过分析提出了一种同轴结构馈电的双波段喇叭馈源(工作中心频率为1.75GHz和4.15GHz),低频微波采用同轴结构馈电,高频微波采用圆波导馈电。根据馈源结构的特殊性,利用模匹配理论对馈源结构中典型组件的散射矩阵和散射矩阵的级联过程进行了理论分析,在得到整个结构散射特性的基础上,通过模式展开法估算馈源的远场方向图。设计时采用了分段设计再整体优化的方法,仔细分析了各个结构单元在整个馈源结构中所起的作用。通过详细的数值仿真研究,得到了一些有益的结论,并确定了具体的设计参数,最终整个系统尺寸小于φ60cm×70cm,中心频率处的反射损耗小于-20dB,并获得了理想的辐射效果。 3、实验设计 对不同类型的模式转换器和双波段喇叭馈源的综合实验进行了实验设计,绘制了工程装配图,给出了冷测和热测实验方案。


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