高功率单层径向线螺旋阵列天线的设计与模拟

 在研究磁探针耦合特性的基础上，设计了中心频率为4.0 GHz的3圈36单元高功率单层径向线螺旋阵列天线，各圈距中心位置分别为45，90，135 mm，单元个数分别为6，12，18。该天线采用磁探针代替电探针给短螺旋单元天线馈电，通过同轴-径向线模式转换器实现径向线TEM外行波激励，采用调整磁探针的探入深度和绕轴旋转短螺旋单元天线的方法改变单元的激励幅度与激励相位。数值模拟结果表明：该口径为324 mm的天线在中心频率上可获得21.58 dB的增益，口径效率可达78.2％，轴向轴比值为1.73；在3.8～4.2 GHz的频率范围内增益大于20.85 dB，口径效率大于73.2％，轴向轴比值小于2.0，反射系数小于0.27，辐射效率大于93%。     

径向线型模式变换器

 研究了一种通过改变波导内场分布的旋转对称性,可将高功率微波源输出的TEM模或TM01模转换为TE11模的径向线型模式变换器。介绍了该模式变换器的基本原理,即采用金属插板将同轴波导TEM模变换为4路90°扇形波导TE11模,各路扇形波导间所需的输出相位差通过将扇形波导转换为双层径向线传输来实现。基于这一原理,设计了一个中心频率为1.6 GHz的同轴TEM-TE11模式变换器,并进行了数值模拟计算,结果表明该模式变换器具有较高的功率容量,中心频率处反射系数为0.05,模式转换效率为99%,在1.52~1.68 GHz的频带范围内,模式转换效率大于90%。     

一种新型同轴TEM-圆波导TE11模式变换器

 提出了一种新型同轴插板式模式变换器，可以实现同轴TEM到圆波导TE₁₁模式的变换。介绍了这种模式变换器的工作原理：即通过在同轴波导中沿轴向插入金属板，将同轴TEM模变换成扇形截面波导TE₁₁模，进而利用不同扇形截面波导中的相移改变电场分布的轴对称性，在同轴波导中形成同轴TE₁₁模，最后将同轴TE₁₁模转换为圆波导TE₁₁模式。基于这一原理设计了一个中心频率为3.8GHz的同轴TEM-圆波导TE₁₁模式变换器，并进行了数值模拟。模拟结果表明：这种模式变换器可以承受高功率，中心频率上转换效率为98.5%，转换效率大于90%的带宽超过10%，在3.5~4.1GHz的频率范围内反射损耗低于0.3dB。     

紧凑型宽带TM01-TE11模式转换器的数值模拟

 设计了一个紧凑型宽带L波段TM01-TE11模式转换器。该转换器使用同轴TEM和矩形TE₁₀模式作为过渡模式，提高了模式转换器的工作带宽，缩小了模式转换器的尺寸，并且模式转换器的输入输出同轴。建立了一个尺寸为φ20.5 cm×55.2 cm的设计模型，并进行了数值模拟。结果表明：该模式转换器工作频率为1.63~2.22 GHz时转换效率超过90%，相对带宽超过30%；在1.72 GHz处转换效率达99.8%；工作频带内反射系数小于-11 dB，最低为-26.3 dB；该模式转换器的功率容量大于1 GW。     

新型顶部加载单极天线

提出了一种新型顶部加U型负载的单极天线结构,给出了设计思想和结构模型,该天线采用同轴馈电,辐射轴向笔状波束且线极化特性良好的波,在理论分析的基础上具体对其进行了仿真,并依照仿真的尺寸结果,加工实物进行了实验研究。仿真结果表明:该天线实现了同轴馈电单极天线的轴向辐射,当工作频率在4.0 GHz时,天线轴向增益为8.33 dBi,轴向轴比为-69.64 dB,反射系数为0.034;在3.83~4.5 GHz的频率范围内反射系数小于0.1。实验结果表明:该天线在中心频率时测量增益为8.116 dBi,驻波比为1.098,并且在3.75~4.50 GHz的范围内驻波比都小于1.2,可以看出仿真结果与实验结果基本一致,互相进行了验证。     

L波段紧凑型TEM-TE11模式转换器

设计了一种适用于窄带高功率微波源系统的紧凑型TEM-TE11模式转换器。该结构首先将同轴波导沿角向分区使微波在各分区内相位传播常数不同,然后将相位传播常数较大的分区进行横向折叠设计以缩短系统轴向长度。分区传播的微波在模式转换器末端相位差达到180时,合成同轴波导中TE11模式。为L波段磁绝缘振荡器设计了模式转换器,并采用数值仿真程序进行计算,在1.31 GHz中心频率上,模式转换器转换效率为95%;在1.23~1.40 GHz频率上,模式转换器效率大于90%,相对带宽13%。将模式转换器应用于磁绝缘振荡器,并测量了天线的定向辐射能力,所得结果与设计一致。     

输入输出共轴的三弯曲型TM01-TE11模式转换器

 通过采用相位重匹配技术，设计了一种输入输出共轴的三弯曲型TM₀₁-TE₁₁模式转换器，该转换器由三段常曲率弯曲波导和两段直波导组成。用模式耦合理论建立了该类模式转换器的数值计算和优化设计方法，并设计了一个中心频率为7.0 GHz的模式转换器。该转换器的TM₀₁-TE₁₁转换效率在中心频率上大于99％，在6.5~7.5 GHz的频率范围内大于90％。应用时域有限差分法和有限元方法对所设计的模式转换器进行了仿真，仿真结果验证了设计理论和设计结果。     

过模同轴转弯波导的设计

介绍了一种过模同轴转弯波导的基本原理,分析了过模同轴波导基模实现高效率转弯传输的条件及转弯过程中的模式问题,设计了中心频率为4.0GHz、转弯角度为45°的过模同轴转弯波导。数值计算结果表明:过模同轴转弯波导在中心频率的基模传输效率大于99%,反射系数为0.04;在3.8~4.2GHz的频率范围内基模传输效率大于95%,反射系数小于0.22。该过模同轴转弯波导的转弯半径约80mm,具有转弯半径小、结构简单、转弯角度灵活的特点,且内部无介质支撑,适用于高功率微波馈线系统中过模同轴波导基模的转弯传输。     

16单元矩形径向线螺旋阵列天线的理论分析和数值模拟

 提出了一种16单元矩形径向线螺旋阵列天线。介绍了该矩形阵列天线的提出背景以及工作原理,分析了两种电磁组合探针的耦合特性,设计并数值模拟了中心频率为4.0 GHz的16单元矩形径向线螺旋阵列天线。模拟结果表明：该口径为180 mm×180 mm 的天线在中心频率4.0 GHz 下,增益为18.24 dB,轴向轴比值1.065;在3.8～4.2 GHz的频率范围内增益大于17.89 dB,轴向轴比值小于1.2,反射系数小于0.15,口径效率大于85％。     

一种新型高功率微波相移器

 研究了一种新型高功率微波相移器同轴插板式相移器，其设计思想为：在同轴波导内插入金属导体板，将同轴波导分为几个扇形截面波导，由于扇形截面波导中传输的TE₁₁模相速度与同轴TEM模的相速度不同，通过改变插入金属板的长度就可以实现相移的调节。设计了中心频率为4 GHz的同轴插板式相移器，并进行了数值模拟验证。结果表明：当相移器同轴波导内半径为2.0 cm，外半径为4.5 cm，相移器总长度为50 cm时，可实现的最大相移量为360°，在3.9~4.1 GHz频率范围内相移器的插入损耗低于0.1 dB。     

径向双层介质加载圆波导的TE_(11)-HE_(11)模式转换天线

介绍了径向双层介质加载圆波导的TE_(11)-HE_(11)模式转换天线的设计原理、实验方法及结果。该模式转换天线由圆波导TE_(11)-HE_(11)模式转换器和辐射器组成:圆波导TE_(11)-HE_(11)模式转换器是在圆波导内沿径向加载两种不同介电常数的微波介质来完成模式转换,辐射器采用开口圆波导或小张角圆锥喇叭将HE_(11)模辐射出去。应用HFSS软件对设计的两种模式转换天线进行模拟优化,数值结果显示这两种天线在线极化和圆极化工作状态下其E面、H面辐射方向图在一定波瓣宽度内均具有较高的等化特性及低副瓣电平。应用矢量网络分析仪和频谱分析仪对线极化TE11模激励状态下的两种模式转换天线的增益和驻波系数进行测试,测试结果表明:在中心频率9.4GHz频点辐射器采用开口圆波导或小张角圆锥喇叭时天线增益分别为11.21dB和15.58dB,且驻波系数均小于1.05。实测结果与仿真结果基本一致,证明了该模式转换天线技术的可行性与正确性。     

同轴插板式TEM－TE11模式转换器的设计与实验研究

 介绍了同轴插板式TEM－TE₁₁模式转换器的设计:在同轴波导内沿径向插入四块金属板，将同轴TEM模转变为扇形截面波导TE11模，通过控制插板的长度使不同扇形截面波导输出TE₁₁模的相位不同，最后在圆波导内形成TE₁₁模；通过在插板的前端设置角向均匀分布的金属杆，实现了模式转换器的良好匹配。实验测得模式转换器的辐射方向图轴向最大，与数值计算结果吻合良好，表明实验中模式转换器的输出模式与数值计算结果一致，从而验证了同轴插板式模式转换器的可行性。     

C波段单层16单元矩形径向线螺旋阵列天线实验研究

 介绍了C波段单层16单元矩形径向线螺旋阵列天线的模拟优化结果,对按照优化结构尺寸加工的天线模型进行了实验研究。在实验中,利用设计的用于连接标准接口和耦合输入口的阻抗变换器,采用标准线极化天线比较法对阵列天线辐射特性进行了测试。实验结果表明：在3.8～4.2 GHz的频率范围内天线增益大于17 dB,口径效率大于74%,天线轴比小于 1.3 dB,驻波系数小于1.2,与数值计算结果基本一致。     

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。     

X波段16单元矩形径向线螺旋阵列天线设计

研究了一种X波段16单元矩形径向线螺旋阵列天线。介绍了该矩形阵列天线的提出背景以及工作原理,分析了两种电磁耦合探针在X波段的耦合特性,开展了扼流结构与电磁耦合探针的协同设计,设计并数值模拟了中心频率为9.3 GHz的16单元矩形径向线螺旋阵列天线,并进行实验测试。测试结果表明:该口径为96 mm×96 mm的天线在中心频率9.3 GHz下,增益为19.51 dB,轴向轴比值1.05,驻波系数1.17。     

基于漏波波导的X波段高功率微波天线

 基于漏波波导行波天线辐射理论,设计了一种X波段基于漏波波导的高功率微波（HPM）天线。采用微扰法和横向谐振法对天线的辐射特性进行分析,结合数值模拟优化给出了一种基于漏波波导的X波段HPM天线的设计方案。数值模拟表明:该天线在9.6 GHz时增益为26.2 dBi,口径效率大于70%,反射系数小于-20 dB。通过理论分析与数值模拟得到该天线的功率容量大于200 MW,在最大增益点上对ns量级短脉冲的远场响应波形不存在畸变,验证了该天线在HPM条件下使用的可行性。     

高功率双层径向线螺旋阵列天线实验研究

 介绍了高功率双层径向线螺旋阵列天线的模拟优化结果，对按照优化结构尺寸加工的阵列天线进行了实验研究。在实验中，设计了用于连接标准接口和天线输入口的阻抗变换器，对阵列天线辐射特性的测量采用了标准线极化天线比较法。实验结果表明：在3.8～4.2 GHz的频率范围内天线增益大于19.7 dB，口径效率大于42%，天线轴比小于4 dB，驻波系数小于1.6；实验结果与数值计算结果基本一致。     

一种兼具宽带增益改善和宽带、宽角度低雷达散射截面的微带天线

设计并制备了一种兼具高增益和低雷达散射截面(radar cross section, RCS)的微带天线, 通过给原始微带天线加载双屏频率选择表面(frequency selective surface, FSS)覆层, 使其具有宽带的3 dB增益带宽和宽带、宽角度的低RCS特性. 该FSS单元的上层是四个开口处都焊有电阻的金属环结构, 下层是中间和四边都开缝的金属贴片结构. 上层加载的电阻主要用于吸收雷达入射波, 减缩天线RCS; 下层的贴片和天线地板构成Fabry-Perot谐振腔, 提高天线增益. 在5.75–11.37 GHz频带内, S₂₂<-10 dB, S₁₂<-10 dB; 在11.21–11.54 GHz频带内, S₁₁反射系数相位曲线斜率为正, 幅度模值均在0.86以上. 实验结果表明: 与原始天线相比, 在谐振频点11.73 GHz处, 天线增益提高3.4 dB, E, H面的半功率波束宽度分别减小16°和50°; 天线的3 dB增益带宽为10.00–12.40 GHz, 完全覆盖阻抗带宽. 在4.10–11.30 GHz 频带内, 天线法向RCS均有3 dB以上的减缩, 最大减缩23.08 dB; 4.95 GHz处的单站RCS在-20°–20°的角域、双站RCS 在-37°–37°的角域均有3 dB以上的减缩. 实验结果证实了该FSS覆层可用于同时改善天线的辐射和散射 性能. 关键词： 频率选择表面 低雷达散射截面 高增益 宽带     

圆波导TM_(01)-TE_(11)模式变换器

提出了一种在圆波导中添加金属分割片及半边金属管壳的结构以实现圆波导TM01-TE11模式转换。通过金属分割片将圆波导分成两个半圆区域:其中一个半圆区域为空波导,另一半圆区域为填充一定厚度金属管壳的空波导。在S波段对设计的中心频率为2.8GHz的物理模型进行数值模拟与实验研究,模拟结果表明:在中心频率2.8GHz转换效率为99.56%,反射率低于0.01;在2.716～2.946GHz频带内转换效率大于90%,S11小于-10dB。实验中测试到的S11参数与模拟结果基本一致,证明了该变换器技术方案的可行性和模拟结果的正确性。     

基于波导模式变换的圆波导TE62模式激励器的研究

基于不规则波导模式匹配法以及缓变波导中电磁波模式耦合理论,研究了一种W波段圆波导TE₆₂模式激励器. 该波导模式激励器采用矩形波导TE₁₀模式通过侧壁耦合馈入同轴波导,利用同轴波导的选模特性激励TE₆₁模式;随后利用轴向半径周期微扰的圆波导实现TE₆₁–TE₆₂模式变换. 文中推导了矩形-同轴波导模式匹配理论,系统研究了波导结构缓变参数对模式变换效率的影响,完成了模式变换器的优化仿真设计,数值计算结果表明：中心频率处TE₆₂模式的转换效率为94.5%,纯度为98.16%,效率85%以上带宽达到1 GHz,能够满足回旋管冷测的要求. 关键词： 同轴波导 模式变换 耦合模理论 半径微扰