高功率微波径向线模式转换缝隙天线

摘要

本发明公开了一种高功率微波径向线模式转换缝隙天线，目的是解决高功率微波天线不紧凑，功率容量有限等问题。本发明由同轴波导、径向线漏波波导、法兰盘、模式转换透镜构成；径向线漏波波导由径向线底板、径向线中板、短路圆柱、缝隙阵列口面、波导壁构成，缝隙阵列口面的缝隙是沿圆周方向均匀排列的胶囊型缝隙，相邻缝隙之间加入圆环状凸字形台阶构成辐射枝节；模式转换透镜由第一匹配层，金属圆盘，填充介质，第二匹配层构成，金属圆盘由呈蜂窝状排列的模式转换单元组合而成，模式转换单元通过在棱柱体内部打孔形成。本发明结构紧凑，具有较高的功率容量和增益，解决了高功率微波天线功率容量有限且在高频段应用困难等问题。

说明书

技术领域

本发明涉及高功率微波技术领域的一种辐射天线，尤其是一种工作在高频段的高功率微波模式转换天线。

背景技术

高功率微波(High-Power-Microwave，缩写为HPM)一般是指频率在300MHz到300GHz、峰值功率大于100MW或平均功率大于1MW的强电磁辐射。高功率微波的应用多种多样，主要包括：高功率脉冲雷达，应用于宽频带下精确分辨目标；高能粒子射频加速器，应用于高能物理、核物理研究；基于电子回旋共振机制对受控热核等离子体进行加热及高功率微波武器等领域。

迄今为止，高功率微波源的研究成果主要集中在L、S、C、X等波段(频率均在12GHZ以下)，而发展更高频率的高功率微波设备将是高功率微波研究领域的下一重点之一。结合高功率微波系统向高频发展的趋势，研制Ku波段(频段范围为12～18GHz)等高频紧凑型的高功率微波辐射系统显得愈发迫切。此外，多数高功率微波源(如虚阴极振荡器、相对论返波管、磁绝缘线振荡器等)产生的微波模式都为旋转轴对称模，如圆波导的TM₀₁模、TE₀₁模和同轴波导TEM模等。这些模式由于场分布和极化方向在波导横截面上绕波导轴具有旋转对称性，若直接发射或激励传统喇叭天线，将产生轴向为零的环状远场方向图，其能量分散、增益低，不利于高功率微波的定向发射与传输。

为了实现高功率微波的定向辐射，通常要应用高功率微波模式转换器将圆波导的TM₀₁模、TE₀₁模或同轴波导TEM模转换为易于定向发射的圆波导TE₁₁模，再由天线向外发射，现有的高功率微波模式转换器的长度一般在3～5个波导波长，这造成了整个高功率微波发射系统结构复杂，轴向长度大幅增加，在某些特定的应用场合(如空间尺寸有限的机载平台)应用受限。此外现有的Ku波段辐射天线损耗较大，功率容量有限，不适宜直接应用到高功率微波领域。

由于现有的高功率微波辐射系统结构复杂，轴向不够紧凑，而Ku波段的辐射天线损耗较大，功率容量较低，不能满足高功率微波的应用需求，如何设计一种新型的可以应用于Ku波段的紧凑型高功率微波辐射天线是本领域技术人员极为关注的技术问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种新型高功率微波径向线模式转换缝隙天线，其结构紧凑，输入输出共轴，具有较高的功率容量和增益，用以解决目前高功率微波天线紧凑化程度不高，功率容量有限并且在高频段应用困难等问题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

本发明由同轴波导、径向线漏波波导、法兰盘、模式转换透镜四部分构成。定义同轴波导、径向线漏波波导、法兰盘、模式转换透镜靠近微波源的一端为输入端，远离微波源的一端为输出端。同轴波导、径向线漏波波导、法兰盘、模式转换透镜按从输入到输出的顺序共轴相连。同轴波导一端与微波源相连作为高功率微波径向线模式转换缝隙天线的输入端口，另一端与径向线漏波波导的中心相连；径向线漏波波导的输入端中心与同轴波导相连，径向线漏波波导的输出端与法兰盘的输入端焊接在一起；法兰盘的输入端焊接在径向线漏波波导的输出端上，法兰盘的输出端通过螺钉与模式转换透镜连接固定。

同轴波导由外导体和内导体构成，均为金属材料制成。径向线漏波波导由径向线底板，径向线中板，短路圆柱，缝隙阵列口面，波导壁构成，也均为金属材料制成。径向线底板为圆环形，径向线中板、缝隙阵列口面为圆盘形，按从输入到输出的顺序平行排列，径向线底板、缝隙阵列口面与波导壁共同围成一个圆柱形腔，径向线中板位于圆柱形腔的中心(径向线底板，缝隙阵列口面均沿水平方向平行，径向线中板距径向线底板和距缝隙阵列口面的垂直距离相等)。在径向线中板与缝隙阵列口面中心处，与两者圆盘面垂直方向采用短路圆柱将两者进行连接。同轴波导的输入端(即外导体和内导体的输入端)与微波源相连。内导体为实心圆柱，其直径为D1，高度为H1+H2；外导体为空心圆筒，其内直径为D2，高度为H1，圆筒壁厚为s。内导体同轴嵌套于外导体内部，内导体输出端与径向线中板相连，并在连接处倒圆角，倒角半径为R2；外导体的输出端与径向线底板的中心相连。径向线底板为中心开通孔的金属圆盘，径向线底板的外直径为D6，中心通孔的直径与外导体的内直径相同，也为D2，径向线底板的中心通孔与外导体的输出端焊接在一起，并在中心通孔与外导体焊接处的内部边缘倒圆角，倒角半径为R1。波导壁为金属圆环，波导壁外直径为D6，内直径为D4，高度为H7；径向线底板靠近输出端的表面与波导壁靠近输入端的表面相连，波导壁靠近输出端表面与缝隙阵列口面靠近输入端的表面相连。缝隙阵列口面上开有多个缝隙以辐射微波，缝隙阵列口面的直径为D6，其靠近输入端的表面与波导壁靠近输出端表面相连，输出端面上焊接法兰。在径向线底板与波导壁的连接处内侧以及缝隙阵列口面与波导壁连接处内侧倒圆角，倒角半径均为R4。径向线中板直径为D3，厚度为H3；径向线中板的边缘倒圆角，倒角半径为R3。径向线中板靠近输入端表面到径向线底板靠近输出端表面的距离为H2，径向线中板靠近输出端表面到缝隙阵列口面靠近输入端表面的距离为H4。短路圆柱的输入端与径向线中板靠近输出端的表面相连，短路圆柱的输出端与缝隙阵列口面靠近输入端的表面相连。短路圆柱、径向线中板以及缝隙阵列口面同轴。短路圆柱的直径为D7，高度为H4。

缝隙阵列口面上开的缝隙是沿圆周方向均匀排列的胶囊型缝隙，相邻缝隙之间加入圆环状凸字形台阶构成辐射枝节；缝隙共有N圈，N为缝隙圈数，N为正整数，N的取值范围一般为10≤N≤17。最里圈缝隙中心即缝隙单元径向的中心距离缝隙阵列口面中心的距离为ρ₁，相邻缝隙的中心间距均为d，最里圈缝隙为第1圈，第n圈缝隙的宽度用w_n表示，第n圈缝隙中心到缝隙阵列口面中心的距离为ρ_n，且ρ_n＝ρ_n-1+d，2＜n＜N；第n圈缝隙的一个胶囊的中心处弧长为l1+w_n，l1为常量，缝隙的深度为s1；凸字型台阶有3级子台阶，每级子台阶的高度均为s1，最里圈凸字形台阶顶部宽度为s3，其余台阶宽度均为s2，凸字型台阶以及缝隙边缘倒圆角，倒角半径均为R5。

法兰盘为圆环状，采用金属材料制成，其外直径为D6，内直径为D5，高度为H5。法兰盘的一端焊接在缝隙阵列口面上，另一端通过螺钉与模式转换透镜固定连接；

从靠近微波源端到远离微波源端模式转换透镜依次由第一匹配层，金属圆盘，填充介质，第二匹配层构成。第一匹配层，填充介质，第二匹配层采用环氧树脂制成，环氧树脂的相对介电常数为4。第一匹配层为圆盘状，其输入端的那一面与法兰盘的输出端面紧贴，其输出端的那一面覆盖在金属圆盘的输入端表面，第一匹配层的直径为D6，厚度为t0。金属圆盘输入端的那一面覆盖有第一匹配层，输出端的那一面紧贴第二匹配层。金属圆盘直径为D6，金属圆盘由多个呈蜂窝状排列的模式转换单元组合而成，每个模式转换单元的横截面为正六边形，正六边形的边长为l，从金属圆盘的横截面来看，各正六边形紧密排列成一个直径为D4的圆形，也可说各正六边形紧密排列成一个蜂窝状阵列，每个正六边形在蜂窝状阵列中所处列数用p表示，所处行数用q表示。定义阵列中心处正六边形处在第0行第0列，阵列中心上侧正六边形所处行数为正、下侧为负，阵列中心右侧正六边形所处列数为正、左侧为负。模式转换单元是通过在横截面为正六边形的棱柱体内部打有5个孔形成，5个孔从靠近微波源端到远离微波源端依次为第一椭圆柱孔，第一过渡孔，圆柱形孔，第二过渡孔，第二椭圆柱孔。第一椭圆柱孔、圆柱形孔和第二椭圆柱孔的中心位于棱柱体的轴线上。第一椭圆柱孔的半长轴为a1，半短轴为b1，深度为t1；圆柱形孔的半径为b，深度为t3；第二椭圆柱孔的半长轴为a2，半短轴为b2，深度为t5；第一过渡孔靠近输入端的一端为椭圆形，靠近输出端的一端为圆形，第一过渡孔将第一椭圆柱孔逐渐过渡并连接至圆柱形孔，深度为t2；第二过渡孔靠近输入端的一端为圆形，靠近输出端的一端为椭圆形，第二过渡孔将圆柱形孔逐渐过渡并连接至第二椭圆柱孔，深度为t4。设定金属圆盘的中心处为坐标原点，建立x-y固定坐标系，则所有模式转换单元的第一椭圆柱孔中心与第二椭圆柱孔中心在x-y平面的投影均可用坐标Q(x，y)表示，正六边形的边长为l确定后，不同位置处第一椭圆孔中心与第二椭圆孔中心所对应的投影坐标Q(x，y)也随之确定，且有(p表示模式转换单元在蜂窝状阵列中所处列数，q表示模式转换单元在蜂窝状阵列中所处行数)。令第一椭圆柱孔长轴与x轴正向的夹角为θ，第二椭圆柱孔长轴与x轴正向的夹角为则第一椭圆柱孔的长轴与第二椭圆柱孔的长轴之间的相对夹角为该值随着第一椭圆柱孔与第二椭圆柱孔位置的不同而变化。填充介质均匀填充在所有模式转换单元的第一椭圆柱孔、第一过渡孔、圆柱形孔、第二过渡孔和第二椭圆柱孔中，并保持与这5个孔孔壁的紧密贴合。第二匹配层为圆盘状，一面与金属圆盘紧密贴合，另一面即为本发明的输出端，第二匹配层的直径为D6，厚度为t6。

为了叙述方便，这里统一介绍以上设计的结构参数所满足的条件：

1、同轴波导的参数D1、D2需满足同轴波导中TE₁₁模式的传播条件，即λ₀为输入微波在自由空间波长，其中c为真空中光速，f为输入微波的频率。且D2>D1>0，H2>H1>0。

2、同轴波导外导体11与径向线底板中心通孔连接处的倒角半径R1，以及同轴波导内导体与径向线中板连接处的倒角半径R2应满足微波无耗传输条件，且R1>0，R2>0。具体应用时，R1和R2由电磁仿真软件CST>

3、径向线漏波波导的波导壁的外直径D6，内直径D4，内壁倒角半径R4，高度H7以及径向线中板的直径D3，高度H3，边缘倒角半径R3，需要满足微波无耗传输条件，并根据具体应用确定D6，同时还需满足功率容量的需求，并且有D6>D4>D3>0，R4>R3>0。通常情况下H2＝H4>0、H3>0、H7＝H2+H3+H4，具体应用时，D6、D4、D3、R4、R3、H2、H3和H4由电磁仿真软件CSTStudio Suit优化设计。

4、缝隙阵列口面的各圈缝隙中心间距d应满足驻波天线工作条件，即d＝λ₀。最里圈缝隙距离缝隙阵列口面24中心的距离ρ₁根据实际需要确定取值，但该值既不能太小又不能太大，太小会导致最里圈缝隙过窄，从而引起场击穿，造成功率容量较低；过大会导致天线口面利用率降低，造成口径效率下降，一般λ₀/2＜ρ₁＜λ₀。

5、第n圈缝隙的宽度w_n由天线口面的电场分布确定，当天线口面的电场分布满足均匀分布时，第n圈缝隙的归一化等效电阻r_n应满足其中ρ_n为第n圈缝隙中心到缝隙阵列口面24中心的距离，且ρ_n＝ρ_n-1+d，2＜n＜N，N代表总共有几圈缝隙，N的取值范围一般为10≤N≤17。而缝隙的宽度w_n与等效电阻r_n的数学关系可以通过电磁仿真软件CSTStudio>n与等效电阻r_n的一定有一个唯一对应的数学关系)，当确定ρ₁和缝隙的总圈数N后，第n圈缝隙中心到天线轴心的距离ρ_n也唯一确定，从而第n圈缝隙的归一化等效电阻r_n可以计算获得，进而可以得到第n圈缝隙的宽度w_n。

6、第n圈缝隙的一个胶囊的中心处的弧长l1+w_n以及缝隙深度s1及其对应的凸字形台阶的参数s2需满足缝隙谐振条件，即有l1≈λ₀/2，台阶及缝隙边缘倒角半径R5>0。具体应用时，l1为常量、s1、s2、s3和R5还需由电磁仿真软件CST>

7、短路圆柱的直径D7应满足驻波场叠加条件，即满足D7＝2ρ₁-λ₀，且D7>0，具体应用时，D7还需由电磁仿真软件CST>

8、模式转换单元的正六边形的边长第一椭圆柱孔内满足椭圆波导TEc₁₁单模传输条件，且离心率小于0.855，有其中ε为孔内填充介质的相对介电常数，c为真空中的光速，f为微波频率；圆柱形孔内满足圆波导TE₁₁模传输条件，有第二椭圆柱孔内也需满足椭圆波导TEc₁₁单模传输条件，且离心率小于0.855，同样有另外微波在自由空间经第一匹配层耦合到金属圆盘内后，经过第一椭圆柱孔和第一过渡孔后可以实现线极化的TE模式微波到右旋圆极化TE模式的转换，而t0、a1、b1、t1和t2的取值决定了此转换过程能否实现，因此t0、a1、b1、t1和t2是仿真优化的关键参数。右旋圆极化TE模式继续传输，依次经过圆柱形孔、第二过渡孔并耦合至第二椭圆柱孔，在此过程中需要保证微波无耗传输，而参数b、t3和t4的取值决定了微波能否完全通过而没有反射，因此b、t3和t4是仿真优化的关键参数。右旋圆极化TE模式耦合至第二椭圆柱孔并经传输后，最终可以实现右旋圆极化TE模式到左旋圆极化TE模式的转换，通过第二匹配层后可以无耗传输至自由空间，而a2、b2、t5和t6的取值决定了此转换过程能否实现，因此a2、b2、t5和t6也是仿真优化的关键参数。具体应用时，给定微波频率后，可以大致确定a1、b1、a2、b2、b和l取值范围，在各个部件实现上述功能的前提下，可以由电磁仿真软件CST Studio Suite分段优化进而得到a1、b1、a2、b2、b、t0、t1、t2、t3、t4、t5、t6和l一组具体值。

9、第一椭圆柱孔长轴与x轴正向的夹角为x为不同位置处第一椭圆孔中心与第二椭圆孔中心所对应的投影坐标Q(x，y)的横坐标，y为Q(x，y)的纵坐标，且有(p表示模式转换单元在蜂窝状阵列中所处列数，q表示模式转换单元在蜂窝状阵列中所处行数)。第二椭圆柱孔长轴与x轴正向的夹角为θ只与第一椭圆柱孔中心的投影坐标有关，与微波的频率无关，只与第二椭圆柱孔中心的投影坐标有关，与微波的频率无关。具体应用时，当模式转换单元横截面正六边形的边长l给定后，根据位置确定Q(x，y)，θ与通过上述公式计算得到。

10、法兰盘的内直径D5、高度H5根据实际需要确定，且有D6>D5>0，H5>2λ₀，具体应用时，D5、H5根据实际需要选择。

通过电磁仿真软件CST Studio Suite微波工作室，在满足D6>D5>D4>D3>D2>D1>0，D7＝2ρ₁-λ₀，且D7>0，R1>0，R2>0，R4>R3>0，R5>0，H2＝H4>0，H1>0，H3>0，H5>0，H7＝H2+H3+H4，l1≈λ₀/2，λ_g/2＜ρ₁＜λ_g，w_n＞0，t0>0，t1>0，t2>0，t3>0，t4>0，t5>0，t6>0，H₆＝t0+t1+t2+t3+t4+t5+t6，s＞0的条件下，设定天线辐射效率大于99％，可以获得参数D1、D2、D3、D4、D5、D6、R1、R2、R3、R4、R5、H1、H2、H3、H4、H5、H6、H7、ρ₁、l1、s1、s2、s3、w_n、a1、b1、a2、b2、b、l、t0、t1、t2、t3、t4、t5和t6的精确值，s一般取3-5mm。

本发明的工作过程为：高功率微波源输出的TEM模式输入到高功率微波径向线模式转换缝隙天线的同轴波导中，在径向线中板下层微波沿径向向外传输，经径向线中板折叠转换后，在径向线中板上层实现微波沿径向向内传输。缝隙阵列口面沿圆周均匀分布的“胶囊型”缝隙单元阵列切割径向电场，实现远场同相叠加的线极化辐射，此时天线的波束为空心波束。微波继续传输并通过模式转换透镜的第一匹配层耦合到模式转换透镜的金属圆盘内。由于模式转换透镜的金属圆盘内部有许多模式转换单元，在每个模式转换单元内部，微波先后经历了线极化的TE模式到右旋圆极化TE模式的转换以及右旋圆极化TE模式到左旋圆极化TE模式的转换，由于第一椭圆形孔与第二椭圆形孔之间有一定的相对夹角通过调整此夹角可以使输出左旋圆极化TE模式的相位改变从而实现圆极化实心波束所需的相位分布，最终实现天线的波束为实心圆极化波束。缝隙阵列口面的相邻缝隙之间的凸字形台阶可以有效改善天线的整体辐射性能，获得较高的增益和良好的口面电场分布。相邻圈数缝隙的径向中心间距为一个波导波长，使得天线工作在驻波状态，天线的波束指向垂直缝隙阵列口面，天线整体有较高的辐射效率。同一圈内“胶囊型”缝隙单元的沿圆周方向的中心距小于一个波导波长，有效的抑制了缝隙阵列栅瓣的产生。设计的模式转换透镜的总长度(H6＝t0+t1+t2+t3+t4+t5+t6)在一个波导波长左右，同时无需重新设计天线罩，使得高功率微波径向线模式转换缝隙天线在轴向上更加紧凑，具体工作时，高功率微波径向线模式转换缝隙天线内部抽高真空，使得整个辐射系统有较高的功率容量，可以满足高功率微波领域中的应用需求。

与现有技术相比，采用本发明可以达到以下技术效果：

1.本发明在缝隙阵列口面的相邻缝隙之间加入凸字形台阶，可以有效的改善天线的辐射特性，获得较高的增益和良好的口面电场分布。

2.本发明同一圈内“胶囊型”缝隙单元的中心距小于一个波导波长，有效的抑制了缝隙阵列栅瓣的产生。

3.本发明通过在模式转换透镜的输入、输出端面分别使用介质层覆盖，且优化设计模式转换单元内部5个孔的结构，可以保证微波在经过模式转换透镜时无耗传输，使得整个高功率微波径向线模式转换缝隙天线具有较高的辐射效率；

4.模式转换透镜本身可以起到一定的聚束作用，从而提高了天线的增益和口径效率；

5.模式转换透镜的总长度在一个波导波长左右，且输入输出共轴，与现有的模式转换技术相比，长度大大减小，从而使得整个高功率微波径向线模式转换缝隙天线在轴向上更加紧凑；

6.本发明缝隙单元结构与凸字形台阶的结合以及与模式转换透镜的真空密封，使得整个辐射系统有较高的功率容量，可以应用于高频段的高功率微波辐射系统中。

附图说明

图1是本发明高功率微波连续横向枝节缝隙径向线天线的总体结构示意图。

图2是图1沿AA’平面的等轴测剖视图。

图3是图1沿AA’平面的正视剖视图。

图4是图2中缝隙阵列口面24的俯视图以及局部放大视图。

图5是图4沿BB’平面的剖视图以及局部放大视图。

图6是本发明缝隙阵列口面24中缝隙单元的结构视图以及局部放大视图。

图7是本发明模式转换透镜4沿AA’平面的等轴测剖视图以及局部放大视图。

图8是本发明模式转换透镜4的模式转换单元排布规律示意图。

图9是本发明一个实施例的三维方向图。

图10是本发明一个实施例的二维方向图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式做进一步描述。

图1是本发明高功率微波径向线模式转换缝隙天线的总体结构示意图；如图1所示，本发明由同轴波导1、径向线漏波波导2、法兰盘3、模式转换透镜4四部分构成。定义同轴波导1、径向线漏波波导2、法兰盘3、模式转换透镜4靠近微波源的一端为输入端，远离微波源的一端为输出端。同轴波导1、径向线漏波波导2、法兰盘3、模式转换透镜4按从输入到输出的顺序共轴相连。同轴波导1一端与微波源相连作为高功率微波径向线模式转换缝隙天线的输入端口，另一端与径向线漏波波导2的中心相连；径向线漏波波导2的输入端中心与同轴波导1相连，径向线漏波波导2的输出端与法兰盘3的输入端焊接在一起；法兰盘3的输入端焊接在径向线漏波波导2的输出端上，法兰盘3的输出端通过螺钉与模式转换透镜4连接固定。

图2是图1沿AA’平面的等轴测剖视图。图3是图1沿AA’平面的正视剖视图。如图2、图3所示，同轴波导1由外导体11和内导体12构成，均为金属材料制成。径向线漏波波导2由径向线底板21，径向线中板22，短路圆柱23，缝隙阵列口面24，波导壁25构成，也均为金属材料制成。径向线底板21为圆环形，径向线中板22、缝隙阵列口面24为圆盘形，按从输入到输出的顺序平行排列，径向线底板21、缝隙阵列口面24与波导壁25共同围成一个圆柱形腔，径向线中板22位于圆柱形腔的中心(径向线底板21，缝隙阵列口面24均沿水平方向平行，径向线中板22距径向线底板21和距缝隙阵列口面24的垂直距离相等)。在径向线中板22与缝隙阵列口面24中心处，与两者圆盘面垂直方向采用短路圆柱23将两者进行连接。同轴波导1的输入端(即外导体11和内导体12的输入端)与微波源相连。内导体12为实心圆柱，其直径为D1，高度为H1+H2；外导体11为空心圆筒，其内直径为D2，高度为H1，圆筒壁厚为s。内导体12同轴嵌套于外导体11内部，内导体12输出端与径向线中板22相连，并在连接处倒圆角，倒角半径为R2；外导体11的输出端与径向线底板21的中心相连。径向线底板21为中心开通孔的金属圆环，径向线底板21的外直径为D6，中心通孔的直径与外导体11的内直径相同，也为D2，径向线底板21的中心通孔与外导体11的输出端焊接在一起，并在中心通孔与外导体11焊接处的内部边缘倒圆角，倒角半径为R1。波导壁25为金属圆环，波导壁25外直径为D6，内直径为D4，高度为H7；径向线底板21靠近输出端的表面与波导壁25靠近输入端的表面相连，波导壁25靠近输出端表面与缝隙阵列口面24靠近输入端的表面相连。缝隙阵列口面24上开有多个缝隙以辐射微波，缝隙阵列口面24的直径为D6，其靠近输入端的表面与波导壁25靠近输出端表面相连，输出端面上焊接法兰3。在径向线底板21与波导壁25的连接处内侧以及缝隙阵列口面24与波导壁25连接处内侧倒圆角，倒角半径均为R4。径向线中板22直径为D3，厚度为H3；径向线中板22的边缘倒圆角，倒角半径为R3。径向线中板22靠近输入端表面到径向线底板21靠近输出端表面的距离为H2，径向线中板22靠近输出端表面到缝隙阵列口面24靠近输入端表面的距离为H4。短路圆柱23的输入端与径向线中板22靠近输出端的表面相连，短路圆柱23的输出端与缝隙阵列口面24靠近输入端的表面相连。短路圆柱23、径向线中板22以及缝隙阵列口面24同轴。短路圆柱23的直径为D7，高度为H4。

如图1和图3所示，法兰盘3为圆环状，采用金属材料制成，其外直径为D6，内直径为D5，高度为H5。法兰盘3的一端焊接在缝隙阵列口面24上，另一端通过螺钉与模式转换透镜4固定连接。

图4是本发明缝隙阵列口面24的俯视图，图4(a)是本发明缝隙阵列口面24的俯视图，图4(b)是图4(a)I处的放大视图；图5是图4沿BB’平面的正视剖视图以及局部放大视图，图5(b)是图4沿BB’平面的剖视图，图5(a)是图5(b)II处的放大视图。图6是本发明缝隙阵列口面24中缝隙单元的结构视图以及局部放大视图，图6(a)是缝隙阵列口面24中缝隙单元的结构视图，图6(b)是图6(a)III处的放大视图，图6(c)是图6(b)IV处的放大视图。如图5、图6所示，缝隙阵列口面24的缝隙是沿圆周方向均匀排列的胶囊型缝隙，相邻胶囊型缝隙的胶囊沿圆周方向的中心间距小于一个微波波长，相邻缝隙之间(指径向)加入圆环状凸字形台阶构成辐射枝节(如图5(b)所示)，以改善天线的辐射性能。缝隙共有N圈(如图6(a)所示，N＝13)，最里圈缝隙中心(指缝隙单元径向的中心)距离缝隙阵列口面24中心的距离为ρ₁，相邻缝隙的中心间距(指径向间距)均为d，最里圈缝隙为第1圈，第n圈缝隙的宽度用w_n表示，第n圈缝隙中心到缝隙阵列口面24中心的距离为ρ_n，且ρ_n＝ρ_n-1+d，2＜n＜N。第n圈缝隙的中心处(指径向的中心)弧长为l1+w_n，l1为常量，大小约为半个波导波长，缝隙的深度为s1。如图5(b)所示，N＝13时，缝隙顶部的凸字型台阶从里到外依次为2401、2402、2403、2404、2405、2406、2407、2408、2409、2410、2411、2412、2413和2414、凸字型台阶有3级子台阶，每级子台阶的高度均为s1(如图5(a)所示)，最里圈凸字形台阶2401顶部宽度为s3，其余台阶宽度均为s2，凸字型台阶以及缝隙边缘倒圆角，倒角半径均为R5。

图7是本发明模式转换透镜4沿AA’平面的等轴测剖视图以及局部放大视图。图7(a)是图1中模式转换透镜4沿AA’平面的等轴测剖视图，图7(b)是模式转换透镜4的局部(图7(a)的V处)放大视图。如图7(a)所示，从靠近微波源端到远离微波源端模式转换透镜4依次由第一匹配层41，金属圆盘42，填充介质43，第二匹配层44构成。第一匹配层41，填充介质43，第二匹配层44采用环氧树脂制成，环氧树脂的相对介电常数为4。第一匹配层41为圆盘状，其输入端的那一面与法兰盘3的输出端面紧贴，其输出端的那一面覆盖在金属圆盘42的输入端表面，第一匹配层41的直径为D6，厚度为t0。金属圆盘42输入端的那一面覆盖有第一匹配层41，输出端的那一面紧贴第二匹配层44。图8是模式转换透镜的模式转换单元排布规律示意图。图8(a)是模式转换透镜的模式转换单元横截面示意图，图8(b)是模式转换单元内部孔轮廓在x-y平面的投影示意图。如图8(a)所示，金属圆盘42直径为D6，金属圆盘42由多个呈蜂窝状排列的模式转换单元组合而成，每个模式转换单元的横截面为正六边形，正六边形的边长为l，从金属圆盘42的横截面来看，各正六边形紧密排列成一个直径为D4的圆形，也可说各正六边形紧密排列成一个蜂窝状阵列，每个正六边形在蜂窝状阵列中所处列数用p表示，所处行数用q表示。定义阵列中心处正六边形处在第0行第0列，阵列中心上侧正六边形所处行数为正、下侧为负，阵列中心右侧正六边形所处列数为正、左侧为负，具体定义方式如图8(a)所示。如图7(b)所示，模式转换单元是通过在横截面为正六边形的棱柱体内部打有5个孔形成，5个孔从靠近微波源端到远离微波源端依次为第一椭圆柱孔421，第一过渡孔422，圆柱形孔423，第二过渡孔424，第二椭圆柱孔425。第一椭圆柱孔421、圆柱形孔423和第二椭圆柱孔425的中心位于棱柱体的轴线上。如图8(b)所示，结合图7(b)，第一椭圆柱孔421的半长轴为a1，半短轴为b1，深度为t1；圆柱形孔423的半径为b，深度为t3；第二椭圆柱孔425的半长轴为a2，半短轴为b2，深度为t5；第一过渡孔422靠近输入端的一端为椭圆形，靠近输出端的一端为圆形，第一过渡孔422将第一椭圆柱孔421逐渐过渡并连接至圆柱形孔423，深度为t2；第二过渡孔424靠近输入端的一端为圆形，靠近输出端的一端为椭圆形，第二过渡孔424将圆柱形孔423逐渐过渡并连接至第二椭圆柱孔425，深度为t4。设定金属圆盘42的中心处为坐标原点，建立如图8(a)所示的x-y固定坐标系，则所有模式转换单元的第一椭圆柱孔421中心与第二椭圆柱孔425中心在x-y平面的投影均可用坐标Q(x，y)表示，正六边形的边长为l确定后，不同位置处第一椭圆孔421中心与第二椭圆孔425中心所对应的投影坐标Q(x，y)也随之确定，且有(p表示模式转换单元在蜂窝状阵列中所处列数，q表示模式转换单元在蜂窝状阵列中所处行数)。令第一椭圆柱孔421长轴与x轴正向的夹角为θ，第二椭圆柱孔425长轴与x轴正向的夹角为则第一椭圆柱孔421的长轴与第二椭圆柱孔425的长轴之间的相对夹角为该值随着第一椭圆柱孔421与第二椭圆柱孔425位置的不同而变化。填充介质43均匀填充在所有模式转换单元的第一椭圆柱孔421、第一过渡孔422、圆柱形孔423、第二过渡孔424和第二椭圆柱孔425中，并保持与这5个孔孔壁的紧密贴合。第二匹配层44为圆盘状，一面与金属圆盘42紧密贴合，另一面即为本发明的输出端，第二匹配层44的直径为D6，厚度为t6。

以国防科大制备的高功率微波径向线模式转换缝隙天线为例：

实施例一

下面给出N＝10，用于12GHz(即输入微波源的频率为12GHz，对应微波波长为25mm)的高功率微波连续横向枝节缝隙径向线天线的一个实施例具体设计尺寸：

在该频率下，同轴波导1的内导体11的直径D1与外导体12的内直径D2应满足根据实际需要选择D1＝100mm，D2＝119mm，外导体12的长度H1＝60mm，内导体长度为H1+H2＝60+9.5＝69.5mm；根据实际需求选择径向线漏波波导2波导壁25的外直径D6＝560mm，在满足微波在径向线漏波波导2内无耗传输的前提条件下，仿真优化得到外导体11与径向线底板21连接处的倒角半径R1＝3.9mm，内导体12与径向线中板22相连处倒角半径R2＝14.3mm；径向线漏波波导2波导壁25内直径D4＝529.6mm，波导壁内侧倒圆角半径R4＝13.4mm。径向线中板22的直径D3＝510.6mm，厚度H3＝7.8mm，径向线中板22边缘倒圆角半径R3＝3.9mm。径向线中板22靠近输入端表面到径向线底板21靠近输出端表面的距离H2＝9.5mm，径向线中板22靠近输出端表面到缝隙阵列24口面靠近输入端表面的距离H4＝9.5mm。缝隙阵列口面要将微波完全辐射出去，并且其口面电场分布尽可能的均匀，在此条件下，选取N＝10，最里圈缝隙为第1圈，第1圈缝隙中心距离缝隙阵列口面24中心的距离12.50mm＜ρ₁＜25mm，取ρ₁＝18mm，相邻缝隙的中心间距d＝25mm，l1＝12mm，第n圈缝隙的中心处弧长为12mm+w_n，各圈缝隙对应的尺寸参数如表一所示。

表一 各圈缝隙对应的尺寸参数

优化后缝隙的深度s1＝6.25mm。缝隙顶部的凸字型台阶从里到外依次为2401、2402、2403、2404、2405、2406、2407、2408、2409、2410、2411、2412、2413和2414，台阶的高度最里圈凸字形台阶2401顶部宽度为其余台阶宽度均为凸字型台阶以及缝隙边缘倒角半径R5＝0.5mm。短路圆柱23的直径D7＝11mm，长度H4＝9.5mm。径向线底板21上表面到缝隙阵列口面24下表面的距离H7＝H2+H3+H4＝9.5+7.8+9.5＝26.8mm。法兰盘3外直径D6＝560mm，内直径D5＝540mm，高度H5＝50mm。

第一匹配层41、第二匹配层44和金属圆盘42的直径与法兰盘3外直径相等，均为D6＝560mm；模式转换透镜4的第一匹配层41，填充介质43，第二匹配层44采用环氧树脂制成，环氧树脂的相对介电常数为4。在该频率下，第一椭圆柱孔421的半长轴a1应满足3.57mm<a1<5.43mm，半短轴b1应满足3.054mm<b1<4.646mm，第二椭圆柱孔425的半长轴a2应满足3.57mm<a2<5.43mm，半短轴b2应满足3.054mm<b2<4.646mm，圆波导的半径b满足b>3.679mm，模式转换单元横截面正六边形的边长l满足选取正六边形边长l＝7.56mm，在满足微波经第一匹配层41、第一椭圆柱孔421和第一过渡孔422传输后，可以实现线极化TE模式微波到右旋圆极化TE模式完全转换的条件下，仿真优化得到第一匹配层的厚度t0＝1.949mm；第一椭圆柱孔421的半长轴a1＝5.357mm，半短轴b1＝3.85mm，深度t1＝5.633mm；第一过渡孔422深度t2＝2.937mm；；在满足右旋圆极化TE模式经过圆柱形孔、第二过渡孔422传输时无耗损耗的条件下，仿真优化得到圆柱形孔423的半径b＝3.85mm，深度t3＝3.57mm；第二过渡孔423深度t4＝2.438mm；在右旋圆极化TE模式经第二椭圆柱孔425传输后，可以实现右旋圆极化TE模式到左旋圆极化TE模式的转换，并通过第二匹配层44后可以无耗传输至自由空间的条件下，仿真优化得到第二椭圆柱孔425的半长轴a2＝5.07mm，半短轴b2＝3.5mm，深度t5＝15.75mm；第二匹配层44的厚度t6＝1.921mm；当正六边形边长l确定后，不同位置处第一椭圆孔221中心与第二椭圆孔225中心所对应的投影坐标Q(x，y)也随之确定，且有由公式计算得到第一椭圆柱孔421长轴与x轴正向的夹角，由公式计算得到第二椭圆柱孔425长轴与x轴正向的夹角。同轴波导1的外导体12的壁厚s＝5mm。

实施例二

下面给出N＝13，用于14.2GHz(即输入微波源的频率为14.2GHz，对应微波波长为21.03mm)的高功率微波连续横向枝节缝隙径向线天线的一个实施例具体设计尺寸：

在该频率下，同轴波导1的内导体11的直径D1＝84mm，外导体12的内直径D2＝100mm，外导体12的长度H1＝60mm，内导体长度为H1+H2＝60+8＝68mm；径向线漏波波导2波导壁25的外直径D6＝600mm，外导体11与径向线底板21连接处的倒角半径R1＝3.28mm，内导体12与径向线中板22相连处倒角半径R2＝12.01mm；径向线漏波波导2波导壁25内直径D4＝572.5mm，波导壁内侧倒圆角半径R4＝11.3mm。径向线中板22的直径D3＝556.5mm，厚度H3＝6.6mm，径向线中板22边缘倒圆角半径R3＝3.3mm。径向线中板22靠近输入端表面到径向线底板21靠近输出端表面的距离H2＝8mm，径向线中板22靠近输出端表面到缝隙阵列24口面靠近输入端表面的距离H4＝8mm。选取N＝13，最里圈缝隙为第1圈，第1圈缝隙中心距离天线轴线的距离取ρ₁＝18.03mm，相邻缝隙的中心间距d＝21.03mm，l1＝10mm，第n圈缝隙的中心处弧长为10mm+w_n，各圈缝隙对应的尺寸参数如表二所示。

表二 各圈缝隙对应的尺寸参数

优化后缝隙的深度s1＝5.2mm。缝隙顶部的凸字型台阶的高度s1＝5.2mm，最里圈凸字形台阶顶部宽度为s3＝19.24mm，其余台阶宽度均为s2＝4.206mm，凸字型台阶以及缝隙边缘倒角半径R5＝0.5mm。短路圆柱23的直径D7＝16.03mm，长度H4＝8mm。径向线底板21上表面到缝隙阵列口面24下表面的距离H7＝22.6mm。法兰盘3外直径D6＝600mm，内直径D5＝580mm，高度H5＝50mm。

第一匹配层41、第二匹配层41和金属圆盘44的直径与法兰盘3外直径相等，均为D6＝600mm；第一匹配层41，填充介质43，第二匹配层44采用环氧树脂制成，环氧树脂的相对介电常数为4。在该频率下，模式转换单元横截面正六边形的边长第一匹配层41的厚度t0＝1.637mm，第一椭圆柱孔421的半长轴a1＝4.5mm，半短轴b1＝3.434mm，深度t1＝4.734mm；第一过渡孔424深度t2＝4.467mm；圆柱形孔423的半径b＝3.434mm，深度t3＝3mm；第二过渡孔424深度t4＝4.048mm；第二椭圆柱孔425的半长轴a4＝4.459mm，半短轴b4＝3.434mm，深度t5＝13.43mm；第二匹配层44的厚度t6＝1.614mm；在模式转换单元横截面正六边形的边长的前提下，可以由公式计算得到不同位置处第一椭圆柱孔421以及第二椭圆柱孔425中心在x-y平面的投影坐标Q(x，y)，将其代入到公式后可以计算得到不同位置处第一椭圆柱孔421长轴与x轴正向的夹角，将其代入到公式后可以计算得到不同位置处第二椭圆柱孔425长轴与x轴正向的夹角。θ与的具体值不再一一列出。同轴波导1的外导体12的壁厚s＝5mm。

实施例三

下面给出N＝17，用于18GHz(即输入微波源的频率为18GHz，对应微波波长为16.7mm)的高功率微波连续横向枝节缝隙径向线天线的一个实施例具体设计尺寸：

在该频率下，同轴波导1的内导体11的直径D1＝66.7mm，外导体12的内直径D2＝79.3mm，外导体12的长度H1＝60mm，内导体长度为H1+H2＝60+6.3＝66.3mm；径向线漏波波导2波导壁25的外直径D6＝600mm，外导体11与径向线底板21连接处的倒角半径R1＝2.6mm，内导体12与径向线中板22相连处倒角半径R2＝9.5mm；径向线漏波波导2波导壁25内直径D4＝589.5mm，波导壁内侧倒圆角半径R4＝8.9mm。径向线中板22的直径D3＝580mm，厚度H3＝5.2mm，径向线中板22边缘倒圆角半径R3＝2.6mm。径向线中板22靠近输入端表面到径向线底板21靠近输出端表面的距离H2＝6.3mm，径向线中板22靠近输出端表面到缝隙阵列24口面靠近输入端表面的距离H4＝6.3mm。选取N＝13，最里圈缝隙为第1圈，第1圈缝隙中心距离天线轴线的距离取ρ₁＝14.7mm，相邻缝隙的中心间距d＝16.7mm，l1＝8mm，第n圈缝隙的中心处弧长为8mm+w_n，各圈缝隙对应的尺寸参数如表三所示。

表三 各圈缝隙对应的尺寸参数

优化后缝隙的深度s1＝4.16mm。缝隙顶部的凸字型台阶的高度s1＝4.16mm，最里圈凸字形台阶顶部宽度为s3＝14.64mm，其余台阶宽度均为s2＝3.33mm，凸字型台阶以及缝隙边缘倒角半径R5＝0.5mm。短路圆柱23的直径D7＝11.3mm，长度H4＝6.3mm。径向线底板21上表面到缝隙阵列口面24下表面的距离H7＝17.8mm。法兰盘3外直径D6＝600mm，内直径D5＝580mm，高度H5＝50mm。

第一匹配层41、第二匹配层41和金属圆盘44的直径与法兰盘3外直径相等，均为D6＝600mm；第一匹配层41，填充介质43，第二匹配层44采用环氧树脂制成，环氧树脂的相对介电常数为4。在该频率下，模式转换单元横截面正六边形的边长l＝5mm，第一匹配层41的厚度t0＝1.291mm，第一椭圆柱孔421的半长轴a1＝3.55mm，半短轴b1＝2.709mm，深度t1＝3.765mm；第一过渡孔424深度t2＝3.524mm；圆柱形孔423的半径b＝2.709mm，深度t3＝3mm；第二过渡孔424深度t4＝3.193mm；第二椭圆柱孔425的半长轴a4＝3.518mm，半短轴b4＝2.709mm，深度t5＝10.59mm；第二匹配层44的厚度t6＝1.273mm；在模式转换单元横截面正六边形的边长l＝5mm的前提下，可以由公式计算得到不同位置处第一椭圆柱孔421以及第二椭圆柱孔425中心在x-y平面的投影坐标Q(x，y)，将其代入到公式后可以计算得到不同位置处第一椭圆柱孔421长轴与x轴正向的夹角，将其代入到公式后可以计算得到不同位置处第二椭圆柱孔425长轴与x轴正向的夹角。θ与的具体值不再一一列出。同轴波导1的外导体12的壁厚s＝5mm。

根据上述参数所设计的频率为14.2GHz的高功率微波径向线模式转换缝隙天线的辐射性能分别如图9与图10所示，其中图9给出了本发明实施例的三维方向图，从图9中可以看出在中心频率14.2GHz处本发明的远场方向图为实心波束；图10给出了本发明实施例的二维方向图，其中横坐标θ'与图9保持一致，表示的是波束的俯仰角度，表示的是波束沿圆周方向的方位角度，纵坐标为天线的增益，图中给出了时的天线增益随θ'的变化曲线，可以看到在θ'＝0^°处，天线增益最大，可以达到38.3dBi。

以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化及变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的保护范畴。