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。     

圆波导斜劈辐射天线的实验研究

为了使三腔渡越管振荡器高功率微波源的输出具有单向波束及线极化的辐射特性,设计了圆波导斜劈结构的伏拉索夫型天线。着重进行实验研究,给出了具体设计时应该考虑的因素以及实验情况。通过对圆波导前端模式变换器的同轴内导体长度的调节和鼻锥形状的选择以及各个部分的仔细分析,最后获得了较好的结果,证明了该天线的实用性和可靠性。     

圆波导斜劈辐射天线的实验研究

 为了使三腔渡越管振荡器高功率微波源的输出具有单向波束及线极化的辐射特性，设计了圆波导斜劈结构的伏拉索夫型天线。着重进行实验研究，给出了具体设计时应该考虑的因素以及实验情况。通过对圆波导前端模式变换器的同轴内导体长度的调节和鼻锥形状的选择以及各个部分的仔细分析，最后获得了较好的结果，证明了该天线的实用性和可靠性。     

三角形栅格矩形径向线螺旋阵列天线的设计与实验研究

 介绍了三角形栅格矩形径向线螺旋阵列天线的工作原理,设计并数值模拟了中心频率为4.0 GHz的三角形栅格矩形径向线螺旋阵列天线,并对此阵列天线进行了实验研究。实验结果表明：阵列天线在中心频率4.0 GHz 下,增益为15.3 dB,轴向轴比值1.58,驻波比为1.3,口径效率为86%;在3.8～4.2 GHz的频率范围内可实现圆极化定向辐射,增益大于14.9 dB,轴比值小于1.7,驻波比小于1.6。     

三角形栅格矩形径向线螺旋阵列天线的设计与实验研究

介绍了三角形栅格矩形径向线螺旋阵列天线的工作原理,设计并数值模拟了中心频率为4.0 GHz的三角形栅格矩形径向线螺旋阵列天线,并对此阵列天线进行了实验研究。实验结果表明：阵列天线在中心频率4.0 GHz 下,增益为15.3 dB,轴向轴比值1.58,驻波比为1.3,口径效率为86%;在3.8～4.2 GHz的频率范围内可实现圆极化定向辐射,增益大于14.9 dB,轴比值小于1.7,驻波比小于1.6。     

VLASOV天线的研究

 使用频域矩量法(MM)和时域有限差分方法(FDTD)对VLASOV天线进行了系统研究。通过数值模拟：对VLASOV天线中的模式转换及其辐射过程进行有了清晰的物理描述；对VLASOV天线进行了参数化研究；并为实验提供了加工原型，实测结果与模拟结果吻合良好。在此基础上，结合VLASOV天线在高功率微波系统中的应用提出了一种新的设计方案。该方案实现了天线与天线罩的一体化设计，使辐射波束实现了较好的圆对称性，天线增益提高6dB，第一副瓣电平下降13dB。     

VLASOV天线的研究

使用频域矩量法(MM)和时域有限差分方法(FDTD)对VLASOV天线进行了系统研究。通过数值模拟：对VLASOV天线中的模式转换及其辐射过程进行有了清晰的物理描述;对VLASOV天线进行了参数化研究;并为实验提供了加工原型,实测结果与模拟结果吻合良好。在此基础上,结合VLASOV天线在高功率微波系统中的应用提出了一种新的设计方案。该方案实现了天线与天线罩的一体化设计,使辐射波束实现了较好的圆对称性,天线增益提高6dB,第一副瓣电平下降13dB。     

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。     

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。     

光子晶体高功率微波模式转换器设计

研究了传输线中非截面排列金属光子晶体电磁特性,并利用其作为移相器提出了一种紧凑型TEM—TE11模式转换器的设计方法.利用电磁软件cst microwave studio优化设计了一套L波段TEM—TE11模式转换器,在中心频率1.58 GHz上转换效率为98%.在1.56—1.625 GHz频率范围内,模式转换器转换效率大于90%,对应带宽4.1%.模式转换器功率容量为GW级,适用于高功率微波源系统.结合磁绝缘线振荡器开展了粒子模拟研究工作,发现模式转换器性能与设计结果相符,并且其引入不影响高功率微波器件的正常工作.     

高功率超宽谱双反射面天线优化设计与实验

对高功率超宽谱双反射面天线系统进行了优化改进设计,兼顾辐射性能、馈入反射和功率容量。采用沿能流线设计的粗胖实体结构代替板状TEM喇叭极板结构,增加低频电流的回流通道,从而改善天线馈入反射特性。将副反射面设计为尼龙箱体内、外两部分,使其与尼龙箱体之间的连接螺钉不再突出于高压电场中,优化后最大场强下降了约70%,功率容量达到59 GW,通过Taguchi优化算法对组合馈源喇叭结构进行整体优化,天线辐射因子rE(辐射场峰值与观测点距离乘积)提高了1.2倍。优化后的天线系统进行了高功率实验,实验结果表明：天线系统功率容量达到30 GW,辐射因子超过8 MV。     

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。     

36单元高功率双层径向线螺旋阵列天线功率容量

 对36单元高功率双层径向线螺旋阵列天线的功率容量进行了研究。讨论了真空状态下的微波击穿和真空与大气交界面的微波击穿,以这两种状态下的击穿阈值为依据,论证了阵列天线实现1 GW高功率微波辐射的可行性。采用有限元软件数值模拟了中心频率为4.0 GHz的阵列天线的功率容量,给出了模拟结果并分析了功率容量降低的原因;提出了提高阵列天线功率容量的技术途径。结果表明：改进的高功率双层径向线螺旋阵列天线可以实现1 GW高功率微波的发射。     

一体化GPS磁窗天线的设计与实验研究

设计了一种用于减缓高超声速飞行器通信中断的、中心频率为1.575 GHz、一体化GPS磁窗天线,并开展了静态验证实验。设计的磁窗天线由贴片微带天线和永磁体一体化组成,结构尺寸为100 mm100 mm75 mm,并设计了防护结构。磁窗天线的贴片微带天线不会对永磁体磁场产生影响,而永磁体也不会改变贴片微带天线谐振频率;设计的磁场防护装置对天线轴向的磁场强度没有减弱,对非传播方向完全屏蔽,起到了保护作用。针对厚度为25.5 mm、电子密度为61010～11011 cm－3的等离子体,设计的磁窗天线能将1.575 GHz电磁波透射系数从－19～－23.5 dB提高到－11～－16 dB。研究结果表明：设计的一体化GPS磁窗天线能够一定程度减缓电子密度为61010～11011 cm－3的等离子体对1.575 GHz电磁波通信影响,且实现了磁窗天线的小型化,并提高了安全性。     

短螺旋-圆锥喇叭天线设计与分析

分析设计了一种适用于高功率阵列天线辐射单元的短螺旋-圆锥喇叭天线。数值模拟分析了不同单元间距下的短螺旋-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,结果表明：当单元间距等于0.9λ时,短螺旋-圆锥喇叭天线的互耦与短螺旋天线相当;当单元间距小于0.9λ时,短螺旋-圆锥喇叭天线的互耦比短螺旋天线略大;而当单元间距大于0.9λ时,短螺旋-圆锥喇叭天线的互耦较短螺旋天线小。在此基础上,设计了口径大小为1λ、可用于阵列天线组阵的短螺旋-圆锥喇叭天线。该天线的方向性系数与同等口面下的短螺旋天线相比提高了1 dB,副瓣电平降低了约7 dB,互耦系数降低了约3 dB,一定程度地减小了单元之间的互耦。     

高辐射效率超宽谱脉冲辐射天线的设计与实验

设计了一种采用共面TEM馈电结构的抛物反射面超宽谱脉冲辐射天线,分析了该种馈电结构的阻抗特性与辐射特性。实验表明当馈入电压为3 kV、前沿180 ps的超宽谱脉冲时,该天线主轴辐射场测试距离与峰值场强之积平均值达到18.3 kV,相较于常用的TEM喇叭馈电的超宽带反射面天线,其辐射效率有了显著的提高。     

L波段小型化同轴扩张型天线设计

为了减小常规L波段高功率微波测量接收天线的结构尺寸及增益,设计了一种基于轴向缝隙馈电的小型化同轴扩张型天线。通过理论分析和数值模拟,选择了较优的结构尺寸,得到天线的增益及方向图特性:在1.3~1.6 GHz范围内,增益从-2.0 dBi变化至0.8 dBi;天线最大辐射方向在物理结构轴向。基于矢量网络分析仪E8362B的天线特性测量结果与数值计算结果基本一致:工作频率从1.3~1.6 GHz变化时,增益从-2.3 dBi变化至1.2 dBi;E面方向图主瓣宽度大于60,轴向轴比大于35 dB,结果表明设计的天线能够满足L波段高功率微波测量天线低增益小型化要求。