高功率近场卡塞格伦天线的设计_图文

1、高功率近场卡塞格伦天线的设计龚云峰,谢拥军,岳 亮,王元源(西安电子科技大学天线与微波技术国家重点实验室 陕西西安 710071摘 要:系统地给出了高功率近场卡塞格伦天线的设计。利用内壁光滑的指数型多模喇叭满足高功率微波天线对馈源高功率容量和良好辐射特性的要求,并将介质透镜加载于喇叭馈源口面,以保证对天线副面进行平面波照射。通过优化设计,得到X 频段高功率近场卡塞格伦天线的结构尺寸,使其理论功率容量大于600mW 。实测结果与仿真结果吻合良好,证明该设计方案的可行性。关键词:高功率微波;卡塞格伦天线;多模馈源;介质透镜;高功率容量中图分类号:T N823 文献标识码:A 文章编号:1004-3

2、73X(200913-001-04Design of High-power Near-field C assegrain AntennaGO NG Yunfeng ,XI E Y ong jun,YU E L iang,WA N G Y uany uan(National K e y L abo ratory of Antenna s and Microwav e T echno logy ,Xidian University,Xi c an,710071,Chi naAbstract :T he design o f high-power near-field Cassegr ain ant

3、e nna is given detailedly.Co nsidering that the H PM anten -na requires the feeds w hich hav e hig h pow er capacity and favo rable radiatio n per for mance,the mult imode and smooth -w all exponent ial ho rn is used.And loading the hor n feed wit h the dielectr ic lens can ensure the subreflect or

4、of ant enna can be irr ad-i ated by the plane w ave.T hro ug h optimizatio n and desig n,the mo del of the near -field Casseg rain antenna at X-band is o b -ta ined,w hose po wer capacity is lar ger than 600M W in theo ry.T he measur ed results agr ee w ell with the simulated r esults,which demo nst

5、r ate feasibilit y of t he design.Keywords :high-pow er micr ow ave;Cassegr ain antenna;multi-mode f eed;dielectr ic lens;hig h po wer ca pacity收稿日期:2008-10-16基金项目:国家自然科学基金资助项目(60771040;国家重点实验室基金资助项目(9140C53060106040 引 言高功率微波1-3(H ig h Pow er M icr ow av e,H PM 或称高能微波,一般指峰值功率在100mW 以上,工作频率在130GH z(相

6、应波长为30010mm 的电磁波。研究表明,当微波功率密度达0.011L W/cm 2时,可使工作在相应频段上的雷达和通讯设备受到干扰,不能正常工作;当功率密度达0.011W/cm 2时,可使雷达、通信、导航等设备的微波器件性能降低或失效;当功率密度达10100W/cm 2时,可使工作在任何波段的电子元器件失效,导致武器设备丧失功能,造成机毁人亡的后果。因此,对高功率近场卡塞格伦天线系统的研究是很有必要的。在高功率微波武器系统中,天线的主要作用就是把辐射的高功率微波电磁能量聚集成极窄的波束,使微波能量高度集中,从而以极高的能量强度发射出去照射目标,破坏武器系统和损伤作战人员。目前,国内外通常选

7、择双反射面天线作为该系统的基本形式。高功率微波天线与常规天线最主要的区别在于其功率容量。为了避免出现打火现象,将排除环焦天线4和格里高利天线4,原因在于其固有结构会因二次聚焦而出现严重的空气击穿,故选择近场卡塞格伦天线4形式。在实际工程设计中,受工作平台尺寸的限制,为了获得好的性能指标需要平衡两个矛盾:(1高功率与高指标之间的矛盾,即高功率要求馈源口径尺寸很大,就意味着副面的尺寸不能太小,否则会有漏射,故而会降低主面的有效面积;(2有限空间与高指标之间的矛盾,天线的主面尺寸和副面尺寸不能同时满足副面绕射损失足够小和副面电平足够低的要求,因此主瓣增益会有损失。本文系统地给出了高功率近场卡塞格伦天

8、线的设计。利用内壁光滑的指数型多模喇叭满足高功率微波天线对馈源高功率容量和良好辐射特性的要求。内壁光滑的指数型多模喇叭加载介质透镜可以实现对近场卡塞格伦天线副面的平面波照射。最后,在平衡两个矛盾的基础上通过优化设计获得了X 频段的高功率近场卡塞格伦天线结构尺寸,其理论功率容量大于600mW 。实测结果1与仿真结果吻合良好,证明该设计方案的可行性。1 近场卡式天线模型的分析 如图1所示,近场卡塞格伦天线是卡塞格伦天线的一种特例,它用抛物面作为副面,用平面波照射副面,构成这种天线的主面和副面共焦于O 点。多模喇叭5-7加载介质透镜作为馈源,该馈源能够辐射出平面波。该馈源有如下优点:(1轴向辐射,方

9、向性好;(2结构简单,功率容量高;(3利用平面波照射,副面的漏射小;(4便于密封,喇叭口径上的介质透镜同时可以作为密封罩。 图1 近场卡式天线1.1 指数型多模喇叭 多模喇叭的物理机制可表述如下:通常由于主模为TE 11模的喇叭,其E 面方向图比H 面方向图窄,不能形成旋转轴对称的辐射方向图,其峰值交叉极化电平也必然高。T E 1n 模对H 面和E 面的方向图都有贡献,而TM 1n 模上对E 面方向图有贡献,对H 面方向图没有贡献。如果在主模馈源中引入产生高次模T M 11及其他高次模的装置,而且合适地配置高次模与主模的相对相位,充分利用TM 1n 模只对E 面方向图有贡献,而对H 面方向图没

10、有贡献这一特性,就可获得旋转轴对称的方向图,实现等化波束的目的。内壁光滑的指数型曲线喇叭工作的基本机制是:随着喇叭曲线曲率的不断变化会不断激励出高次模,这样就可以通过曲线对波束进行赋形,最终使喇叭辐射的方向图具有旋转轴对称性。指数型多模喇叭的结构如图2所示。其主要参数有:输入端圆波导的直径d 1、指数型喇叭口面直径d 2、输入端圆波导的长度L 1和喇叭指数线部分的长度L 2。其中,指数曲线满足下面的指数方程:x =aqz /k+c(1指数型多模喇叭设计的原则是改变指数方程参数对波束进行赋形,最终使喇叭辐射的方向图具有旋转轴对称性。如果令a=1和c =0,那么指数方程的可调参量就剩下k 和q 。

11、利用电磁仿真软件可以完成对指数型多模喇叭进行仿真优化,确定指数方程中的k 和q ,得到满足要求的指数型多模喇叭。图2 指数型多模喇叭结构1.2 双曲型介质透镜介质透镜喇叭天线是一种传统的微波天线,获得了广泛的应用8-10。考虑到工程上的可实现性以及功率容量问题。设计紧凑型高功率馈源,首选介质透镜。介质透镜的折射率都大于1,是根据几何光学的两个基本原理设计的:费马原理:光或电磁波沿着光程为极值的路程传播;斯奈尔定律:光或电磁波通过两种不同介质边界面时的折射率定律为:sin H i =n sin H t(2式中:H i 为入射角;H t 为折射角;n 为第二种介质相对于第一种介质的折射率。图3所示

12、为双曲型介质透镜示意图,它是一种单面透镜,即只有一个面使微波射线发生折射,其第一个面(照明面为旋转双曲面,第二个面为平面。其中,旋转抛物面方程为:r (H =(n -1fn cos H -1(3图3 双曲型介质透镜对于要加载在喇叭口径上的介质透镜,若喇叭的半张角为H 0,喇叭口径为D,则由几何关系可以求得喇叭透镜焦点到透镜第二个面(平面的距离为:F =D 2cot H 0(42通过式(3和式(4进一步可求得透镜双曲面的顶点到焦点的距离(即焦距f 和透镜厚度d 。对于透镜的设计原则:首先找出喇叭的相位中心,确定F 的值;进而根据D 值,确定H 0的值;最后根据需要选择透镜的材料,并确定f 值。1

13、.3 功率容量的分析通过计算可以求得对应输入功率为1W 时介质透镜外表面的最大电场E max 。由于功率与电场的幅值平方成正比,当馈源输入的最大功率为P imax 时,可以得到介质透镜外表面的电场为:E =P imax1E max <30kV/cm (5一般认为空气中连续波电场击穿阈值为30kV/cm,因此在馈源输出功率满足式(5的情况下,口径上不会发生空气击穿现象。事实上,目前的高功率微波多为几十纳秒的短脉冲微波,在短脉冲情况下大气的击穿阈值要大于30kV/cm,因此从介质透镜表面的空气击穿角度考虑,该馈源的功率容量大于P imax 。1.4 近场卡式天线的主、副面图4为近场卡塞格伦天

14、线结构示意图。 图4 近场卡塞格伦天线结构 从P 点出发的入射线经副面抛物面和主面抛物面依次反射后,到达平面波前上各点的波程都相等。因而在馈源所辐射的平面波前,经过两次反射后仍然呈现为平面波前,呈现同向场,使近场卡式天线同样具有锐波束、高增益的性能。图4中:D m 为主面口径,水平方向投影圆的直径;V s 为副面口径,水平方向投影圆的直径;F 为主面焦距;f 为副面焦距;H 为主、副面半张角。设计步骤如下:(1确定主面、副面口径D m 和V s ,双反射面天线一般取V s /D m 为0.080.15。(2确定焦径比k,通常取k 为0.30.45。(3主面焦距为:F =D m k(6副面焦距为

15、:f =V s F/D m(7 (4主、副面半张角为:H =2arctan (1/4k(82 设计及实验结果根据指标要求,利用电磁仿真软件优化设计并加工了一个X 频段的近场卡塞格伦天线,对其电性能进行实际测量,比较了馈源的仿真结果和测量结果。其中,该天线系统的各个部分尺寸如下:指数型多模喇叭尺寸:d 1=0.05m,d 2=0.266m,L 1=0.013m,L 2=0.507m ;指数方程参量:a =1,c =0,k =0.333,q =3。双曲型介质透镜尺寸:F =0.5m,f =0.465m,n =1.5,H 0=14.9b ,介质透镜的材料选用聚乙烯。近场卡式天线主、副面尺寸:D m

16、= 2.2m,V s =0.332m,F =0.836m,f =0.126m,H =66.58b 。如图5所示是近场卡塞格伦天线实物。该天线在微波暗室进行测量。由图6可以看出,介质透镜外表面的最大电场小于110V/m,当输入功率为600mW 时,满足式(5,因此该馈源的功率容量大于600mW。图5 天线实物图6 馈源口面电场分布图7和图8分别示出加载介质透镜的指数型多模喇叭E 面和H 面的仿真结果和测量结果。通过对比可以看出,实测结果与仿真结果吻合良好,说明馈源设计符合要求。图9和图10分别给出设计的近场卡塞格伦天线水平面(E 面方向图和俯仰面(H 面方向图的测量结果。测量结果表明,设计的天线

17、电性能完全满足指标要求。这也说明指数型喇叭是一种高效率馈源,而且具有高功率容量和轴对称的方向图,适合用来作为高功率近3场卡塞格伦天线的馈源。 图7 透镜喇叭E面仿真与测量结果 图8 透镜喇叭H面仿真与测量结果 图9 天线E面方向图的测量结果图10 天线H 面方向图的测量结果3 结 语系统地给出了高功率近场卡塞格伦天线的设计方案。针对高功率微波天线对馈源高功率容量和良好辐射特性的要求,选择用内壁光滑的指数型多模喇叭。对多模喇叭口面加载介质透镜,以满足对天线副面进行平面波照射。通过优化设计,最终获得了功率容量大于600mW 的X 频段高功率近场卡塞格伦天线,且实测结果与仿真结果吻合良好。由此证明该

18、设计方案的可行性。参 考 文 献1K ristiansen M ,Schamilo glu E,G ilg enbach R,et al .M U RIPr og ram H ig h Energ y M icrow ave Dev ice Consor tium R.Final Repo rt,2000.2Baco n L D,Rinehart L F.A Br ief T echnolog y Sur vey ofH ig h-po wer M icro wav e So urcesR.Sandia R epo rt,2001.3Ro ber t J B,Edl S.H ig h -pow

19、 er M icro wave Sources andT echno lo giesM .N ew Yo rk:T he Institute o f Electr ical and Electr onics Eng ineer ,Inc.,2001.4杨可忠.现代面天线新技术M .北京:人民邮电出版社,1993.5M ulti-mo ded Feeds in Reflecto r Antenna Systems-ex em -plified by PlanckR .T ICRA -Repo rt,2000.6Bondo T ,Sor ensen S B,N ielsen P H,et al .

20、M ulti-modedHo rns in Reflecto r Antenna Sy st ems Ex emplified by the Planck T elescopeJ.A ntennas and P ropag ation So ciety In -ter national Sy mpo sium,2001,2(2:312-315.7H iro yuki Deg uchi,M ikio T suji,H ir oshi Shig esaw a.M ult-imo de H orn Antenna with Bo th H ig h Efficiency and L o w Cross Polar