X波段高功率宽频带双螺旋反射阵列天线的设计

为了提升高功率微波辐射天线的带宽,提出并设计了一种X波段高功率圆极化反射阵列天线,该天线采用喇叭天线作为馈源,阵列天线单元由可旋转金属双螺旋线构成,通过旋转螺旋线可以实现360°的相位补偿,同时反射损耗极小。设计了15×15矩形栅格螺旋反射阵列天线,全波仿真结果表明:该口径为315 mm的阵列天线在中心频点9.3 GHz下,增益为28 dB,轴比为0.53 dB,口径效率为52.6%;在8.5~10.9 GHz的频带范围内增益大于26.8 dB,轴比小于1.14 dB,1 dB增益带宽和40%以上口径效率带宽均大于21%;在真空中所能承受的最大功率约为207 MW。     

高功率超宽带馈源设计与实验

针对大型抛物反射面天线中的高功率超宽带馈源, 提出一种恒阻抗不平衡-平衡转换结构(巴伦)加切比雪夫渐变线TEM喇叭的馈源设计方法, 采用数值模拟研究了其阻抗特性、传输特性与辐射特性, 并进行了测试实验。结果表明:该种馈源结构在较小的体积下具有低反射、高带宽和高馈电效率的优点。该馈源已成功应用于大型高功率抛物反射面天线。     

阵列馈源偏置抛物面天线合成高功率微波的研究

 运用物理光学分析方法，对使用7单元的扇形喇叭一维阵列和角锥喇叭或圆锥喇叭三角形阵列喇叭束作为单偏置抛物面天线的馈源，空间合成高功率微波进行了比较研究，数值分析表明在阵元输入功率、口面最大场强、天线口径、净空间及天线边缘照度相同,且阵列馈源具有准轴对称主瓣条件下，扇形喇叭构成的一维阵列馈源与单偏置抛物面组成的天线系统的方向性系数和溢出效率优于采用角锥喇叭三角形阵列馈源或圆锥喇叭三角形阵列馈源的天线系统。若将喇叭束直接作为辐射天线使用，由于圆锥喇叭三角形阵列方向性系数对阵元间相位波动的稳定性较好，而更具优势。     

加脊TEM喇叭初步研究

针对恒阻抗TEM喇叭的上下面板电流分布不对称,采用小反射理论和阻抗渐变思想并通过设计脊结构对恒阻抗TEM喇叭进行了改进,研制了加脊TEM喇叭。仿真及实验研究结果表明:对于脉冲宽度约为1 ns的高斯脉冲,通过加脊在一定程度上改善了恒阻抗TEM喇叭上下面板电流分布的不对称性和E面辐射电场的不对称性;相对于相同口径的恒阻抗TEM喇叭,加脊TEM喇叭作为辐射天线和反射面脉冲天线馈源时系统的主轴远场辐射因子均有提高。     

超宽带天线辐射中心的时域测量方法

 采用时域方法测量超宽带天线的辐射中心时,找出一个参考点,使天线以此点为中心的辐射波在辐射主轴某一范围内的波形时延最小,该参考点即为天线的辐射中心。该方法无需考虑馈入脉冲的频率,仅需观察天线辐射场各方向的波形时延。用时域测量方法测量了超宽带TEM喇叭天线的辐射中心,并用TEM喇叭做为馈源的抛物反射面天线进行了验证,结果证明了该方法的可行性与准确性。     

E面和H面方向图等化的双模圆锥喇叭设计

 介绍用于Φ7.3 m Cassegrain天线的高功率馈源喇叭的设计。为使E面和H面方向图在照射区域内具有高的等化度,选择双模圆锥喇叭作为馈源的结构形式。由于高功率源采用BJ-32波导输出信号,故馈源系统中还应包含一个矩形到圆形的模式转换器,将TE10模转换为TE11模。设计了双模圆锥喇叭和模式转换器,并进行了功率容量估算。测试结果表明,所设计的馈源达到了设计要求,理论计算结果和实验测试数据吻合良好。     

阵馈抛物柱面天线合成超宽带高功率微波

在时域推导了超宽带脉冲空间功率合成的条件,得到了多路脉冲信号在极化方向相同,幅度、波形一致的条件下,可实现最大化功率输出的结论。基于此提出了一种阵馈的抛物柱反射面天线。采用10喇叭单元叠状排列形成一维馈源阵列放置于焦线上,照射抛物柱反射面后形成相干脉冲,在主轴方向合成超宽带高功率微波波束。仿真结果表明,该阵馈天线较最优口径的单馈源天线,远场辐射功率密度提高了87倍以上,且波束宽度由66°减为8°,实现了超宽带高功率微波的高效空间功率合成。     

TEM喇叭馈源与共面馈源脉冲辐射天线性能比较

在反射面尺寸一定的情况下,优化设计了 TEM喇叭馈源与共面馈源脉冲辐射天线,并对比了两种天线的辐射性能。分析了反射面型脉冲辐射天线的工作机理,通过准静态近似,分别得到了两种天线的远区辐射场解析解。通过理论求解,得到了两种馈源在反射面口径造成的场分布,为天线结构设计提供参考。通过分析不同脉冲宽度时两种天线的辐射情况,比较了这两种馈源性能的优劣。完成了上述两种GW级高功率高效率馈源的研制,并开展了对比实验,实验结果与理论分析相吻合。     

宽带Ka波段平面反射阵列天线设计

平面反射阵列天线的发展受到了带宽与功率容量两方面限制。为此,本文首先基于多谐振技术提出了一种新型平面反射阵列单元结构,相比于传统单元,所提出单元结构具有功率容量高、剖面低且相移曲线线性度好的特点。其次利用所提出单元,通过优化阵面特性在Ka波段设计了包含20×20个单元的平面反射阵列天线。最后利用电磁仿真软件进行模拟计算,结果显示在中心频点35 GHz处,天线峰值增益为27.58 dBi,口径效率为52.33%,副瓣小于?16.08 dB,并且在30.41～39.64 GHz频率范围内（相对带宽26.37%）天线增益跌落小于3 dB,并且所设计平面反射阵列天线最大功率容量可以达到 13.99 MW,功率密度为218.54 W/mm2。     

一种旋转移相式高功率微波反射阵列天线

利用旋转移相技术的几何相位调控方法,提出一种基于传输相位差概念的波束扫描高功率微波反射阵列天线。电磁仿真结果表明,所设计的三叉戟形反射阵列天线单元工作于9.5～10.5 GHz,在0～40°入射角度下具有360°范围内的线性相位调控能力,真空条件下的功率容量达到1.11 GW。采用该单元设计了半径为200 mm的圆形口径反射阵列天线,并使用全波仿真软件进行验证,利用口径相位分布的可重构特性,所设计的反射阵列天线可以实现±40°范围内的波束扫描。在10 GHz时,波束扫描过程中的增益下降小于1.7 dB,最大增益达到31.1 dBi,对应口径效率为73.42%,最低口径效率超过50%,副瓣电平和轴比始终低于-18.7 dB和1.6 dB。     

利用多扇区介质透镜得到TM01模激励的圆锥喇叭笔形波束辐射

 给出了一种改善TM₀₁模辐射特性的方法,由不同厚度的扇区组成的介质透镜放置于圆锥喇叭口径处,适当地选择各个扇区的厚度,从而产生圆极化的轴向为极大值的远场方向图。推导出了该天线辐射场的解析公式,解析结果与数值模拟有较好的吻合。当工作频率为5 GHz时,天线的增益达19.6 dB,口径效率31.3%,具有15.8%的带宽(反射系数S11<0.2), 且适合于高功率辐射。     

X波段3GW高功率微波辐射喇叭的设计

依据数值模拟结果研制了一套X波段多模微波喇叭,采用3次变张角喇叭结构,设计要求辐射功率大于3 GW,E面和H面方向图在10 dB范围内等化度良好,10 dB波束宽度为40°。近场冷测结果表明,H面10 dB波束宽度为43°,E面10 dB波束宽度为40°。远场热测结果表明,H面10 dB波束宽度为40°,E面10 dB波束宽度为41°,在初步测试中,通过对比在线测量结果和辐射场测量结果,证明研制的喇叭输出功率达1.3 GW时不会出现击穿现象。     

X波段高功率微波一维相扫漏波天线阵

研究了一种可一维相扫的X波段高功率微波漏波天线阵,该天线阵由高功率微波功分网络、移相器和漏波平面阵组成。漏波平面阵由8个矩波导漏波线阵组成,增益29.6dB,口面效率70%,设计功率容量0.91GW;功分器网络采用圆波导TM01-双矩波导TE01模式变换和串列式矩波导功分器形式,输出端口间的不平衡度小于1.6dB,设计功率容量1.1GW;移相器采用侧壁簧片弯进改变矩波导宽度,实现0~360°移相,单路功率容量150MW。整阵相扫性能的全波仿真分析结果表明,在主瓣增益下降3dB的情况下,扫描角度可达到±40°。     

改进型COBRA透镜天线的设计

 设计了X波段COBRA透镜型天线,利用电磁波在不同介质传播速度的差异,通过放置于圆锥喇叭口径处不同厚度的介质透镜改变TM₀₁模不同扇区的相位,从而改变TM₀₁模在普通喇叭口径处的轴对称分布,将轴对称的口径场分布转换为线对称,进而实现线极化或圆极化的轴向辐射。通过添加匹配介质,减小介质对微波的反射和驻波特性的影响;延伸喇叭到透镜边缘,使移相过程在波导内完成,有效地控制了电磁场模式。天线增益在中心工作频率为9.3 GHz时为19 dB,口径效率25%,辐射效率大于90%,反射系数小于1.3,轴比小于2 dB, 3 dB相对带宽大于30%,几乎可以覆盖整个X波段。     

Millimeter-Wave Profiled Corrugated Horns for the Quad Cosmic Background Polarization Experiment

In this paper we report on the design and validation process for the profiled corrugated horn antennas, which feed the bolometer array of a cosmology experiment known as QUaD located at the South Pole. This is a cosmic background radiation polarization project, which demands precise knowledge and control of the optical coupling to the signal in order to map the feeble E- and B-polarization mode structure. The system will operate in two millimeter wavelength bands at 100 and 150 GHz. The imaging horn array collects the incoming signal via on-axis front-end optics and a Cassegrain telescope, with a cold stop in front of the array to terminate side-lobe structure at an edge taper of –20dB. The corrugated horn design process was undertaken using in-house analytical software tools, based on modal scattering, specially developed for millimeter -wave profiled horn antennas. An important part of the instrument development was the validation of the horn design, in particular to verify low edge taper levels and the required well-defined band edges. Suitable feed horn designs were measured and were found to be in excellent agreement with theoretical predictions.     

3圈48单元高功率径向线螺旋阵列天线研究

从理论、模拟和实验等角度详细研究了高功率径向线螺旋阵列天线。从该阵列天线的设计思想出发,提出并设计了中心频率为4.0 GHz的3圈48单元高功率径向线螺旋阵列天线,特别提出了螺旋单元天线的L型电磁组合耦合馈电,并对阵列天线进行了模拟和实验两方面的验证。实验结果表明,在3.6~4.1GHz的范围内,天线驻波比小于1.4,增益大于22.9 dB,口径效率大于65%。     

近零介电常数材料用于天线口面加载研究

近零介电常数材料常用于口面加载以修正天线波前相位,提高口径效率。在对以往金属线阵周期结构研究基础上,提出了介质镀膜板周期结构的近零介电常数材料,并基于NRW本构参数法计算得到了该材料的等效介电常数,依据口面相位差平方和最小原则研制了中空形式的介质镀膜中空板加载结构。实验结果表明,X波段角锥天线加载后其主轴增益最大提高了1.8 dB,口径效率从原有0.4提高至0.6以上,相对工作带宽大于10%。     

Neural Computation of Wide Aperture Dimension of Optimum Gain Pyramidal Horn

A new method based on the multilayered perceptron neural network architecture for computing the wide aperture dimension of the pyramidal horn is presented. The computed wide aperture dimension is used in successfully designing optimum gain pyramidal horn. The other design parameters of the horn are determined from the simple and explicit analytical formulas. These formulas do not need the application of the iterative methods, and are not restricted to the high gain horn designs. The gain of a designed pyramidal horn is determined with no path length error approximation. Better accuracy with respect to the previous design methods is obtained for various pyramidal horn design examples.