高功率过模波导功率传输与分配技术研究

摘要

在高功率径向线螺旋阵列天线系统中，由各级波导结构级联组成的波导功率分配网络连接着高功率微波源与阵列天线的辐射单元。在微波能量输入到天线电磁辐射的整个过程中，这些波导元件需要实现特定的微波转弯传输、能量分配、模式转换等工作，其性能的好坏是整个天线系统设计的关键，而现有波导结构在较高频段的功率容量及转弯半径等都难以满足天线系统对他们的要求。因此，对各级波导结构及相应技术的研究具有十分重要的意义。本文以过模或高过模波导为基础，设计了适用于高功率径向线螺旋阵列天线系统的波导元器件。通过对相应波导结构的物理分析、理论计算、仿真优化以及实验验证，实现了这些波导模型的高效率、高功率容量、小转弯半径及低损耗等特点。 首先，为了与高功率微波源的输出端口联接，实现不同平面之间的能量传输，论文设计了一种过模圆波导TM01模转弯结构。该结构使用高过模圆波导和嵌入的金属良导体结构来实现高能电磁波的转弯传输，通过控制金属插板的排布方式，避免了不必要的高阶模式的出现，利用对扇形波导尺寸的控制，实现了高效的能量传输与小半径的模型转弯。此外，该方法还能实现同轴TEM模或多角度圆波导TM01模的转弯传输。仿真与实验结果表明，圆波导 TM01模在中心频点处的反射小于-45dB，插入损耗小于0.2dB，在8.25-8.55GHz的频带范围内传输系数高于-0.1dB，真空下功率容量约为2.8GW，且其转弯半径很小，只有38mm。 然后，论文设计了一种过模圆波导TM01-4路过模矩形波导TE10模的功分与模式转换结构。在过模圆-矩波导连接处，利用金属导体嵌入结构，实现了4路扇形波导TE11模的正交转弯传输，消除了该处由高阶模式带来的谐振问题，并提升了模型的效率和带宽。仿真结果表明该结构的真空功率容量约为2.9GW，在8.4GHz处，圆波导TM01模的反射系数小于-51dB，4路矩形波导TE10模的传输系数均高于-6.01dB。 之后，为了方便多级过模矩形波导结构级联，论文设计了相应的过模矩形波导转弯与功分结构。借助合理排布的金属插板与楔形结构，该两种模型能够在整个工作频带内抑制了矩形波导的高阶模式TE20模，消除了微波在经历多级功分之后，中心频点两侧微波能量的输出不平衡。仿真结果表明，在 8-8.8GHz的频带范围内，矩形波导TE20模的反射和传输系数小于-40dB，且该两种模型的真空功率容量都在GW量级。 最后，为了实现微波的模式转换，以及不同平面之间的能量传输，论文设计了一种过模圆波导TE11-TM01模正交模式转换器。该模型使用金属插板将转弯处的过模圆波导分成两路低过模半圆波导，利用其内半圆波导TE11模之间的相位差来实现模式转换；利用金属十字型插板来抑制圆波导TE21模，完成大口径圆波导内微波模式的高效转换。其中，模型的转弯半径对其性能影响很小，因此其半径可以非常小。实验结果表明该结构在8.4GHz处，插入损耗小于0.12dB，模式转换效率高于99.5%，填充SF6气体后的功率容量为41.8MW，且其转弯半径仅有25mm。

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