S波段高功率32路功率分配网络的设计

摘要

随着高功率微波技术的不断发展，对其辐射技术提出了越来越高的要求，国内外学者都在努力寻找新型高功率微波辐射天线以满足这种要求。高功率径向线阵列天线是近年来提出的一种新型高功率微波辐射天线，它具有高功率容量、高效率、小型化等优点。为了实现更高的天线增益，可将多个高功率矩形径向线螺旋阵列天线（以下简称子阵）进行紧密拼接，通过高功率多路功率分配网络给多个子阵馈电，从而形成更大规模的矩形阵列天线。而实现上述高增益阵列天线的前提是要将高功率微波源的输出功率分配成多路，并对各个子阵进行馈电。在某实际应用中，需要采用32个子阵组合成一个大型阵列，此时需要形成一个32路功率分配网络。在这一背景下，本论文研究了一种用于高功率场合的S波段32路功率分配网络，以实现对32个4×8排列的子阵进行馈电。
　　通过对多种32路功率分配网络拓扑结构的分析比较，本论文选择了以过模圆波导/同轴波导到两路矩形波导功率分配器、高功率H-T分支和高功率波导同轴转换器级联构成的功率分配网络形式，它具有等幅同相、等路径输出的特点，并能在单层结构上完成对子阵的馈电。在该功率分配网络的拓扑结构中，过模圆波导/同轴波导到两路矩形波导功率分配器是关键元件，因此本论文首先提出并设计了三种不同类型的1分2路功率分配器。
　　第一种功率分配器为过模同轴波导—两路矩形波导功率分配器。在该功率分配器中，由于转换结构的非对称性和同轴波导尺寸的限制，会在其中产生并传播同轴TE21模式，影响功率分配效果。为了抑制该高阶模，采用了在同轴波导中添加双层十字交叉结构的方法，保证了单模传输。另外，由于高功率微波源为过模圆波导输出，通过圆波导到同轴波导转接头实现了过模圆波导到过模同轴波导的转换。优化结果表明:该功率分配器在2.88GHz处的驻波比为1.06，转换效率为98.2％，功率容量为2.38GW;在2.85GHz-2.93GHz的频带范围内驻波比小于1.22，高阶模式最大反射系数约为0.012。
　　第二种功率分配器为过模同轴波导—四路矩形波导—两路矩形波导功率分配器。在该功率分配器中，首先将同轴波导转换为四路矩形波导，由于该转换结构可以产生的最低级高阶模式为TE41模，而该模式在同轴波导中为截止模式，从而保证了单模传输。再通过矩形转弯波导和H-T分支的级联实现四路矩形波导—两路矩形波导的转换。在输入端同样通过圆波导到同轴波导转接头实现过模圆波导到过模同轴波导的转换。优化结果表明:该功率分配器在2.88GHz处的驻波比为1.06，转换效率为98.8％，功率容量为3.61GW;在2.8GHz-2.96GHz的频带范围内驻波比小于1.22，高阶模式最大反射系数约为0.0005。
　　第三种功率分配器为过模圆波导—两路矩形波导功率分配器。通过模式匹配法分析了功率分配器中的模式特点，说明了该尺寸下功率分配器的单模传输特性。优化结果表明:该功率分配器在2.88GHz处的驻波比为1.04，转换效率为99.9％，功率容量为2.83GW;在2.82GHz-2.94GHz的频带范围内驻波比小于1.22，高阶模式最大反射系数约为0.0014。
　　在上述1分2路功率分配器研究的基础上，又对高功率H-T分支、高功率波导同轴转换器分别进行了优化设计。将第二种和第三种类型的1分2路功率分配器分别与高功率H-T分支及高功率波导同轴转换器进行了6级级联，设计了两种类型的32路功率分配网络，并分别对其进行了仿真优化。优化结果表明:第一种32路功率分配网络在2.88GHz处的驻波比为1.24，转换效率为99.1％，功率容量为2.99GW，在2.83GHz-2.91GHz的频带范围内驻波比小于1.24;第二种32路功率分配网络在2.88GHz处的驻波比为1.10，转换效率为99.8％，功率容量为2.82GW，在2.84GHz-2.92GHz的频带范围内驻波比小于1.22。第一种功率分配网络在功率容量方面具有一定优势，第二种功率分配网络在工程加工方面具有一定优势。以第二种功率分配网络为例，采用微波网络的方法计算了考虑子阵反射特性后的功率分配网络性能，说明了其对32个4×8排列的高功率矩形子阵进行馈电的可行性。
　　最后在对矩形波导中电磁波的传输特性进行理论分析的基础上，研究了粗糙度等不良因素对插入损耗的影响，通过半经验公式和等效电导率的方法分别对32路功率分配网络的插入损耗进行了理论分析和数值模拟。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 高功率微波及高功率微波系统

1．1．1 高功率微波概述

1．1．2 高功率微波系统概述

1．1．3 高功率径向线螺旋阵列天线概述

1．2 高功率多路功率分配器国内外研究现状

1．3 论文的研究意义

1．4 论文研究内容及主要工作

第二章 过模同轴波导-两路矩形波导的设计

2．1 同轴波导的理论分析

2．2 过模同轴波导中的模式分析及高阶模抑制

2．21 过模同轴波导中的模式分析

2．2．2 过模同轴波导中的高阶模式抑制

2．3 扇形波导的理论分析及仿真验证

2．4 过模同轴波导-两路矩形波导的设计

2．4．1 结构1

2．4．2 结构2

2．5 圆波导到同轴波导转换器

2．6 添加圆波导到同轴转换接头后1分2路功率分配器的性能

2．7 总结

第三章 过模同轴波导-四路矩形波导-两路矩形波导设计

3．1 过模同轴波导-四路矩形波导功率分配器的设计

3．1．1 设计思想和基本原理

3．1．2 同轴波导中高阶模式分析

3．1．3 同轴波导-四路矩形波导功率分配器的设计

3．2 H-T分支和转弯波导的设计

3．3 同轴波导-四路矩形波导-两路矩形波导功率分配器的设计

3．4 添加圆波导到同轴转换接头后1-4-2路功率分配器的性能

3．5 总结

第四章 过模圆波导-两路矩形波导的设计

4．1 圆波导的理论分析

4．2 圆波导中高阶模式分析

4．21 散射方程的推导

4．22 反射特性分析

4．3 圆波导-两路矩形波导的设计

4．4 总结

第五章 32路功率分配网络的设计

5．1 设计思想和基本原理

5．2 矩形波导到同轴波导转换器设计

5．3 32路功率分配网络的设计

5．3．1 结构1

5．3．2 结构2

5．4 用于子阵馈电的可行性分析

5．5 结论

第六章 功率分配网络插入损耗的初步分析

6．1 表面粗糙度对传输特性影响的研究现状

6．2 矩形波导中电磁波的传输特性

6．3 32路功率分配网络插入损耗的理论分析

6．4 32路功率分配网络插入损耗的数值模拟

6．5 总结

第七章 总结与展望

7．1 主要工作与结果

7．2 研究展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表论文