S波段高功率螺旋-圆锥喇叭阵列天线设计

摘要

随着高功率微波技术的发展，高功率微波天线的作用逐渐受到人们的重视，作为高功率微波系统的终端，其优劣直接决定了高功率微波系统的性能。在高功率微波领域，电磁波具有功率高、输出模式为旋转轴对称模等特点，因此对高功率微波天线提出了特殊的要求。为此，国内外学者进行了大量的研究工作，提出了模式变换器加辐射喇叭、Vlasov天线、模式转换天线以及高功率径向线阵列天线等型式。高功率径向线阵列天线是近年来发展起来的，在高功率微波辐射技术领域具有其独特的优势，可实现天线的高功率容量、高效率、小型化及圆极化定向辐射。
　　 高功率径向线螺旋阵列天线采用短螺旋天线作为辐射单元，使用径向线为馈电波导，采用新型耦合探针实现从径向线到单元天线的馈电，通过调节耦合探针的耦合量以及转动短螺旋单元天线达到预定的激励幅度和辐射相位，从而实现微波的定向辐射。整个天线内避免介质的出现，并采用天线罩进行真空密封，使天线达到较高的功率容量。
　　 作为阵列天线的辐射单元，短螺旋天线之间不可避免地存在互耦作用，而互耦效应的存在会影响天线阵的辐射性能。因此在设计阵列天线时，应尽量减小单元间的互耦。有研究指出，螺旋天线和圆锥喇叭相结合构成的螺旋-圆锥喇叭天线，可以有效地降低螺旋天线的副瓣电平，该天线在用作阵列天线的单元时，能够有效减小互耦。但是过去的研究中采用的是长螺旋，为了减小天线的轴向尺寸，同时利用螺旋-圆锥喇叭天线互耦较小的特点，可以考虑将短螺旋与圆锥喇叭天线相结合，组成适用于高功率径向线阵列天线辐射单元的短螺旋-圆锥喇叭天线。
　　 用于高功率微波辐射的天线必须具有较高的功率容量，一般要对天线进行部分或整体真空封装。对于短螺旋单元天线组成的阵列，须用天线罩对阵列天线进行整体封装。当阵列天线阵面口径较大时，天线罩加工困难，不便于进行密封。而短螺旋-圆锥喇叭天线则可以利用介质片和圆锥喇叭对每个单元天线进行封装，实现单元级的密封。因此研究适用于高功率阵列天线应用需求的短螺旋-圆锥喇叭天线，具有重要的现实意义。
　　 本文首先对短螺旋-圆锥喇叭天线用作高功率径向线阵列天线辐射单元的可行性进行了研究。通过数值模拟分析不同间距下的短螺旋-圆锥喇叭天线的互耦大小，并与短螺旋天线的互耦大小进行比较，给出了短螺旋-圆锥喇叭天线减小互耦必须满足的基本条件。在此基础上，设计了口面直径为1λ的可用于阵列天线组阵的短螺旋-圆锥喇叭天线。该天线的增益与同等口面下的短螺旋天线相比提高了1dB，副瓣电平降低了约7dB；该天线的互耦大小与相同情况下的短螺旋天线相比降低了约3dB，一定程度的减小了单元之间的互耦。
　　 其次，利用设计得到的短螺旋-圆锥喇叭天线作为辐射单元，设计了一个S波段的高功率单层径向线阵列天线。阵列天线的布局采用2圈等间距同心圆环阵列，各圈的间距相等且为一个波长，每圈的单元数分别为6和12。通过对耦合探针、馈电网络等进行合理的优化设计，得到的阵列天线在中心频率下的反射系数0.05，轴向轴比0.96，增益为22.16dB。最后，分为真空状态部分以及真空与大气交界面部分，对阵列天线的功率容量进行了模拟分析。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章 绪论

1.1高功率微波天线的特点

1.2高功率微波天线的研究现状

1.2.1模式变换器加常规天线

1.2.2 VLASOV天线

1.2.3模式变换天线

1.2.4高功率径向线螺旋阵列天线

1.3本文的研究内容和主要工作

第2章阵列天线的基本理论

2.1波瓣乘积原理

2.2同心圆环阵列天线的方向性

2.3天线阵的互耦

2.4有限元积分法

2.5本章小结

第3章S波段短螺旋-圆锥喇叭单元天线设计

3.1螺旋天线的基础知识

3.1.1圆极化工作原理

3.1.2轴向模螺旋天线

3.2螺旋移相器的原理

3.2.1辐射波为理想圆极化波

3.2.2辐射波为椭圆极化波

3.3短螺旋的相关理论

3.4螺旋-圆锥喇叭天线

3.5短螺旋-圆锥喇叭天线的设计及分析

3.5.1短螺旋-圆锥喇叭天线的设计

3.5.2单元天线功率容量分析

3.5.3单元间的互耦分析

3.6短螺旋-圆锥喇叭天线的尺寸限制条件

3.7本章小结

第4章S波段径向线阵列天线设计

4.1高功率径向线螺旋阵列天线工作原理

4.2阵列布局的选择

4.3单元激励的选取

4.4耦合探针的设计

4.5馈电系统的设计

4.6阵列天线的数值模拟

4.7天线的功率容量

4.8本章小结

结论

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及科研成果