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。     

用于抛物柱面空间功率合成天线的功分喇叭阵列

 提出了一种用于偏馈抛物柱面反射天线的功分喇叭。由于改善了口面上的电磁分布,该功分喇叭可以让馈源阵列的栅瓣电平抑制到－28 dB。用FEKO进行仿真发现,与传统用角锥喇叭阵列作为馈源的抛物柱面反射天线相比,使用功分喇叭直线阵列可以使空间功率合成天线的效率从68%提高到80%,同时天线的增益也能增加0.7 dB。     

A novel flat lens horn antenna designed based on zero refraction principle of metamaterials

In this paper, a horn antenna filled with a metamaterial structure as lens inner the aperture is presented. Unlike conventional curve lenses, the lens is designed in the present work using a fully flat structure, which results in a great improvement for the directivity of the horn antenna based on the zero refraction characteristics of the metamaterial. In this structure, a periodic-structure metamaterial with three-layer metal grids is designed using the CST Microwave Studio for optimization and its zero refraction property is validated. For the characterization of the antenna, the electric-field distribution in radiation area, reflection parameter (S₁₁), gain and radiation pattern are calculated. The results show that the gain of a wide flare angle horn antenna is enhanced with over 2 dB between 16.10–17.30 GHz after the metamaterial is utilized. Therefore, the metamaterial lens horn structure results in a miniaturized antenna design approach compared to the optimum conventional horn of the same aperture size and gain in the interested frequency band. PACS 78.70.Gq; 81.05.Zx; 84.40.Ba     

X波段高功率微波辐射场测量角锥天线特性

 利用电磁仿真软件模拟了不同结构角锥喇叭天线的增益特性,选择了增益较低的角锥喇叭天线作为X波段高功率微波测量天线。同时,对角锥喇叭天线电磁脉冲响应、有无法兰和有无直波导进行了数值计算和实验研究。数值计算结果表明：角锥喇叭天线不会对20 ns短脉冲波形产生大的影响,能够用于短脉冲测量;法兰和300 mm直波导对角锥喇叭天线增益的影响小于0.2 dB。实验结果表明：角锥天线增益随频率变化无振荡现象,300 mm直波导对角锥喇叭天线增益的影响小于0.2 dB,方向图主瓣宽度约为50°,适用于测试环境较复杂的高功率微波辐射场测量。     

一种圆弧边多边形光阑通光面积的计算

本文从减小光阑片的外形尺寸出发,建立起一种圆弧边多边形光阑面积的一整套计算公式及其应用条件,在光阑片的设计中又推出一套新的计算方法。     

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。     

一种塑料非球面门镜光学系统的设计

介绍了一种塑料非球面门镜的设计原理及方法。把门镜视为逆向伽俐略系统来确定外形尺寸参数 ;仔细选取系统的光阑位置 ,选取二次曲面的系数及二次曲面的位置 ,可以校正系统的参差及像散。设计的门镜比现有的多种专利门镜结构简单、成像清晰。其视场中心像质达到了人眼明视距离处的极限分辨率。     

折反式大视场星敏感器光学系统设计

讨论了由逆卡塞格林结构和补偿器构成的折反式星敏感器光学系统。该光学系统由一块球面反射镜、一块非球面反射镜以及由同种光学玻璃做成的两块球面透镜和一块非球面透镜组成。具有视场大、相对孔径大和易实现等优点。给出了该光学系统的设计指标和设计思想,并给出了由其初级像差公式确定初始结构参数的方法。经优化设计,得到了全视场为20°、入瞳直径为36.3mm、相对孔径为1∶1.2的光学系统。给出了它的成像质量评价。     

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。     

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%。     

大尺寸模式转换天线的设计和实验研究

 在同轴波导尺寸较大的情况下,传统的插入四块金属板的同轴插板式模式转换器难以满足扇形波导内单模传输的条件。通过增加插板数目,设计了大尺寸情况下的模式转换器,并将其与同轴喇叭有机结合,设计了一个中心频率为7 GHz的新型模式转换天线,可以实现高功率微波源输出TEM模的定向辐射。该模式转换天线的数值计算结果为：增益22.2 dB,口径效率53.7%,中心频率上反射系数为0.07,在6.5~7.5 GHz频率范围内反射系数小于0.3。实验测量结果为：增益21.5 dB,口径效率约46%,在6.5~7.5 GHz频率范围内反射系数约为0.07~0.39。数值计算与实验测量结果基本一致。     

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。     

Optimum Design of Millimeter-Wave Double-Dielectric Fresnel Zone-Plate Lens and Antenna

The microwave/millimeter-wave Fresnel-zone plate (FZP) lenses differ substantially in construction, technology and applications from their optical analogs and require specific design equations and methods of electromagnetic analysis. In this paper, optimum design equations for double-dielectric lossless FZP lens are derived. The best and worst choices of the permittivity ratio for lossless dielectrics are discussed in detail. In addition, the influence of dielectric losses on the lens thickness for given wavelength and permittivities is examined.Two versions of a 57.5-GHz double-dielectric phase-reversal zone plate are used as focusing elements of FZP lens antenna. The antenna co-polar and cross-polar radiation patterns, aperture efficiency and frequency bandwidth are analyzed numerically and contrasted with those of half-blocked FZP and horn lens antennas.     

TEM喇叭天线辐射机理分析和优化设计

在频域和时域研究了TEM喇叭天线的辐射机理。在频域,高频信号激励的TEM喇叭表现为口径天线的辐射特性,具有良好的方向性;低频信号激励的TEM喇叭可视作偶极子天线,具有全向辐射特性;在时域,脉冲激励的TEM喇叭天线辐射场由四个子波叠加构成,在不同方向上,各个子波的波形和相对时序不同,导致不同方向上辐射场波形也不相同。根据辐射机理研究结果,提出了一种TEM喇叭天线末端加载设计并给出了其优化设计方法,有效地改善了天线主轴辐射性能,提高了辐射因子和天线效率。     

3 mm圆锥喇叭聚焦天线的理论与仿真

介绍了基于传统光路法的聚焦透镜的设计方法。利用电磁仿真软件计算了透镜置于圆锥喇叭口的3 mm聚焦透镜天线的性能。根据圆锥喇叭最大方向系数及现有文献公式确定喇叭张角,仿真得到天线聚焦性能不够理想。然后仿真了张角12,20,30三种天线聚焦性能,其焦距随张角增大而增大,逐渐接近所设计焦距。从而验证了光路法需电磁波长相对喇叭口径足够小的结论。给出了喇叭张角12,20,30三种天线焦平面上电场分布。喇叭张角30天线焦斑小于2倍波长。     

变形螺旋天线的自动设计

 利用优化算法进行天线的自动设计是现代天线研究的一个重要趋势。采用NEC(Numerical Electromagnetics Code)天线数值计算程序和遗传算法，结合并行计算技术，实现了对螺旋天线的自动设计。在轴向模辐射，螺旋轴长80cm内和频率为600MHz的条件下，设计了增益高达12.68dB的均匀螺旋天线，比传统设计方法高3.28dB；在400～800MHz的频带内，对变形螺旋天线之一的锥削螺旋天线做了高增益设计，平均增益达12.28dB；对锥削螺旋-圆锥喇叭天线进行了优化设计，得到了比普通螺旋天线更佳的辐射性能。这些设计结果都是传统天线设计方法难以完成的，表明自动设计具有比传统天线设计方法更大的灵活性和更强的设计能力。     

超宽带TEM喇叭天线优化设计与实验

针对用于成像雷达系统的超宽带TEM喇叭天线进行了优化设计,兼顾辐射性能、馈入反射和小尺寸条件,采用平滑渐变结构和加载技术代替原设计,增加了低频电流的回流通道,从而改善了天线的低频特性,增强了其定向辐射能力。在理论分析的基础上对其进行了仿真,并按照仿真结果实际制作了一副天线,对天线进行了测试。仿真与实测结果表明:在电压驻波系数小于2时,该天线具有11∶1的阻抗带宽,较强的辐射能力和良好的定性辐射特性,能够满足雷达系统的需求。     

基于BP神经网络的圆形孔缝耦合截面预测

在对电磁波经孔缝传输/泄露的分析中,孔缝耦合截面的获取十分重要。针对现有公式无法准确获取谐振频段圆形孔缝耦合截面的问题,将BP神经网络应用于圆孔耦合截面的快速获取,该模型适用于电尺寸(半径波长比)在[0.08, 3]之间的圆形孔缝。在不同入射角度和极化角度的入射波辐照下,用全波分析软件计算无限大理想导体平板上不同电尺寸圆孔的耦合截面,用圆孔的耦合截面除以其几何面积得到圆孔的归一化耦合截面。利用这些数据训练神经网络,建立了一个以圆形孔缝的电尺寸、入射波的入射角度和极化角度为输入参数,孔缝的归一化耦合截面为输出参数的BP神经网络模型。通过与全波分析的对比可知,该模型能够快速准确地预测任意入射角与极化角平面波辐照下电尺寸在[0.08, 3]之间的圆形孔缝的归一化耦合截面。     

微波孔缝线性耦合函数研究

讨论了微波脉冲通过孔缝线性耦合进入腔体内的研究方法。给出了线性耦合的物理基础,定义了耦合函数，并导出了耦合函数随入射电场极化方向变化的公式。简要描述了数值求解孔缝线性耦合的时域有限差分方法以及修正算法。给出了以矢量网络分析仪HP8510C为主要设备测量耦合函数的实验方法。通过耦合函数的研究，观察到了共振效应和增强效应等现象，给出了微波孔缝耦合发生共振的普适公式。分析了测量探头对耦合函数测量的影响，验证了耦合函数随入射电场方向变化的公式。理论、数值和实验结果符合得较好。     

Design of an ultrasonic sensor for measuring distance and detecting obstacles

This paper introduces a novel method for designing the transducer of a highly directional ultrasonic range sensor for detecting obstacles in mobile robot applications. The transducer consists of wave generation, amplification, and radiation sections, and a countermass. The operating principle of this design is based on the parametric array method where the frequency difference between two ultrasonic waves is used to generate a highly directional low-frequency wave with a small aperture. The aim of this study was to design an optimal transducer to generate the two simultaneous longitudinal modes efficiently. We first derived an appropriate mathematical model by combining the continuum model of a bar and countermass with the compatibility condition between a piezoelectric actuator and a linear horn. Then we determined the optimal length of the aluminum horn and the piezoelectric actuator using a finite element method. The proposed sensor exhibited a half-power bandwidth of less than ±1.3° at 44.8 kHz, a much higher directivity than existing conventional ultrasonic range sensors.