高功率徑向線螺旋陣列天線研究.pdf

1、隨著高功率微波技術(shù)的不斷發(fā)展，高功率微波天線作為高功率微波系統(tǒng)終端體現(xiàn)的作用日益受到人們的重視。由于高功率微波的特殊性，高功率微波天線在保證良好輻射的前提下，還要滿足包括高功率容量在內(nèi)的許多特殊要求。為此，國內(nèi)外進(jìn)行了許多研究工作，提出了模式變換器接輻射喇叭、Vlasov天線和模式轉(zhuǎn)換天線(如COBRA天線等)等高功率微波天線型式，然而它們都或多或少的存在各自的缺點，尚不能很好的滿足高功率微波系統(tǒng)提出的越來越高的要求。經(jīng)分析我們認(rèn)為陣列

2、天線應(yīng)用于高功率微波領(lǐng)域有其獨特的優(yōu)勢，有望解決高功率微波輻射中存在的許多問題，但傳統(tǒng)的陣列天線因功分器和相移器的功率容量限制而不能直接使用。在這一背景下，本文首次提出了一種新型高功率徑向線螺旋陣列天線，并對其進(jìn)行了系統(tǒng)的理論、模擬和實驗研究，通過研究驗證了該天線設(shè)計思想的可行性，實現(xiàn)了天線的高功率容量、高效率、小型化和圓極化定向輻射，從而為高功率微波輻射提供了一種新的手段。 高功率徑向線螺旋陣列天線采用在其軸向輻射圓極化波的短

3、螺旋天線為輻射單元，使用徑向線為饋電波導(dǎo)，利用新型耦合探針實現(xiàn)從徑向線到單元天線的饋電，通過調(diào)節(jié)耦合探針的耦合量和轉(zhuǎn)動短螺旋單元天線達(dá)到預(yù)定的激勵幅度和輻射相位以實現(xiàn)微波的定向輻射，整個天線內(nèi)避免介質(zhì)的出現(xiàn)，并采用天線罩進(jìn)行密封，使其處于真空狀態(tài)，從而達(dá)到較高的功率容量。 新型耦合探針的使用是該天線中的重要技術(shù)創(chuàng)新之一，論文提出了采用新型耦合探針代替電耦合探針的思想，研究了磁耦合探針、L型電磁組合耦合探針等探針形式，分析了它們代

4、替電耦合探針的可行性和優(yōu)勢，掌握了其基本的耦合原理和耦合規(guī)律，并成功地將其應(yīng)用到了高功率徑向線螺旋陣列天線的設(shè)計中，另外L型電磁組合耦合探針的提出還為機(jī)械相控陣列天線的設(shè)計提供了可能。 基于高功率徑向線陣列天線的基本原理，論文對與該天線相關(guān)的基礎(chǔ)理論進(jìn)行了系統(tǒng)的總結(jié)和完善。對徑向線和柱面喇叭波導(dǎo)的基本特性進(jìn)行了研究，包括各模式的場方程、傳播與截止條件、傳輸功率和衰減常數(shù)等；闡述了圓柱形螺旋天線的輻射機(jī)理和遠(yuǎn)區(qū)輻射場，分析了軸向模

5、螺旋天線作為相移器的物理基礎(chǔ)，指出了短螺旋天線在其軸向輻射良好圓極化波的條件；在同心圓環(huán)陣列天線基本原理的基礎(chǔ)上，分析了單元極化特性對陣列天線方向性的影響，選擇了等幅同相的單元激勵原則。論文使用模式匹配法對徑向線內(nèi)存在探針插入情況下的波導(dǎo)轉(zhuǎn)換過程進(jìn)行了簡化的計算，得到了轉(zhuǎn)化中產(chǎn)生的反射模式和透射模式的階數(shù)與波導(dǎo)轉(zhuǎn)換截面上探針個數(shù)的關(guān)系，同時對產(chǎn)生模式的傳輸特性進(jìn)行了分析，得到了波導(dǎo)轉(zhuǎn)換的最終效果，從而認(rèn)識了徑向線內(nèi)高階模產(chǎn)生的原因及其抑

6、制條件，并由此探討了確定陣列布局時需要遵循的原則。 通過對同軸-徑向線轉(zhuǎn)換器、單元天線、陣列布局等天線關(guān)鍵環(huán)節(jié)的合理優(yōu)化，使它們滿足了高功率的應(yīng)用要求。以此為基礎(chǔ)設(shè)計了36單元單層和雙層徑向線螺旋陣列天線，并對后者進(jìn)行了實驗研究。實驗結(jié)果表明該天線在4.0GHz下增益為20.95dB，口徑效率為57.96％，駐波系數(shù)為1.2；在3.8～4.2GHz的頻帶范圍內(nèi)，增益大于20.2 dB，口徑效率大于45％，駐波系數(shù)小于1.5，實驗

7、結(jié)果與數(shù)值計算結(jié)果基本一致，從而初步驗證了高功率徑向線螺旋陣列天線的可行性。同時還通過比較認(rèn)識了高階模對單元耦合量的影響，分析了單層和雙層徑向線饋電各自的優(yōu)缺點。 對36單元雙層徑向線螺旋陣列天線進(jìn)行了功率容量分析，認(rèn)識到由于口徑面場強(qiáng)分布不均勻，天線的功率容量不能達(dá)到GW的量級。通過優(yōu)化短螺旋單元天線、改進(jìn)耦合探針形式和優(yōu)化陣列布局等方法，提高了陣列天線中主要功率容量瓶頸的耐功率水平。以此為基礎(chǔ)，模擬優(yōu)化了磁耦合的4圈48單元

8、徑向線螺旋陣列天線和L型電磁組合耦合的3圈48單元徑向線螺旋陣列天線，并對它們進(jìn)行了實驗研究。論文比較了模擬和實驗結(jié)果，認(rèn)識了結(jié)果中差異產(chǎn)生的原因，指出了陣列布局與天線性能的密切關(guān)系。后者的實驗結(jié)果表明天線在4.0GHz下增益為24.61dB，軸比為1.4dB，口徑效率為77.9％，駐波系數(shù)為1.05；在3.6～4.1 GHz的頻帶范圍內(nèi)增益大于23 dB，軸比小于1.65 dB，天線口徑效率大于68％，駐波系數(shù)小于1.5。 論