高功率微波波导非谐振缝隙天线阵研究

摘要

随着高功率微波技术的快速发展，常规天线已经不能满足高功率微波应用化的需求，设计出结构紧凑、功率容量高、环境适应性强的发射天线成为亟待解决的课题。与此同时，天线作为高功率微波系统的终端，其结构和性能也会影响整体的设计。随着高功率微波系统要求越来越高，原有的天线在某些环境下已不再适用，而波导缝隙天线因其具有功率容量高、结构简单、组阵方便等优点成为新的发展方向。本课题根据应用需求，探索 L波段波导宽边非谐振缝隙天线，它是一种功率容量高、结构紧凑的平板阵列天线，对设计高功率、低剖面的天线理论设计及应用研究具有重要参考价值，同时为了进一步实现缝隙阵列天线的二维扫描，对铁电体移相器在高功率微波领域的应用进行了初步探索。论文的研究内容主要包括以下几个方面：
　　1.波导非谐振缝隙天线的基本理论
　　研究非谐振波导缝隙（宽边缝隙）天线阵列在高功率微波领域的应用，利用其单位长度缝隙数目多、每个缝隙分配耦合功率相对较小的特点设计出具有较高功率容量的高功率微波天线，利用其缝隙开于宽边，波导窄边可以较小的特点设计出高度较低的L波段阵列天线，满足实际应用。
　　2.波导非谐振缝隙天线单根及阵列的设计与仿真
　　建立相应模型以提取结构参数与归一化等效电阻的关系，同时采用减小波导窄边长度的方法进一步提高归一化等效电阻，从而在较短的天线长度内实现较高的辐射效率。根据应用环境设计相应的输入输出端口，最终设计出单根波导非谐振缝隙天线的增益达到17.9dB，远场波束方向在E面偏离法向29.7°，功率容量可达1.6GW以上。对于组阵后的波导天线，修正了不同位置波导上缝隙受环境的影响，使得阵列天线不同波导上的辐射电场较为均匀，所设计的阵列天线在 H面波束方向可实现±39°的扫描，增益保持在23.3dB以上，功率容量可达6GW以上。
　　3.单根波导非谐振缝隙天线的实验研究
　　对单根波导缝隙天线进行了工程设计和加工，并对所设计的天线进行冷测。实验结果表明：L波段中心频率附近天线的反射低于-20dB；天线罩前200mm处所测的近场电场与仿真结果相近；受暗室测试距离影响，在距离天线6.8m处测量了天线的近场方向图，测得近场方向图增益为16.93dB（近场理论为16.71dB），主瓣方向偏离法向30°，方向图与理论设计结果吻合良好。
　　4.铁电体移相器在高功率微波领域应用的可行性分析
　　铁电体的移相性所需偏置电场与高功率微波领域的电场幅值相近，为了实现铁电体移相器在高功率微波领域的应用，需要研究高功率微波对铁电体移相器介电特性的影响。利用时域有限差分法分析不同输入电场及偏置电场下高功率微波在铁电移相器中的传播特性。仿真结果表明，移相器在 L波段实现180°相移需10cm厚，同时传输效率大于90％。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 高功率微波及高功率微波源

1.2 高功率微波天线的研究现状

1.3 课题研究相关天线调研

1.4 课题的研究内容及结构安排

第二章 波导非谐振缝隙天线结构设计

2.1 波导非谐振缝隙天线基本原理

2.2 波导非谐振缝隙天线初步设计

2.3 总结

第三章 波导非谐振缝隙天线阵仿真

3.1 模型建立和仿真

3.2 口径分布函数

3.3 单根波导非谐振缝隙天线仿真

3.4 波导非谐振缝隙天线阵仿真

3.5 总结

第四章 波导非谐振缝隙天线加工与实验

4.1 天线整体工程设计

4.2 波导非谐振缝隙天线实验测试

4.3 总结

第五章 铁电体移相器高功率微波应用探索

5.1 铁电体移相器基本原理

5.2 FDTD分析HPM在铁电体移相器中传播情形

5.3 总结

第六章 总结与展望

6.1 主要工作与结果

6.2 未来工作展望

致谢

参考文献

作者在学期间取得的学术成果