高功率微波密布缝隙波导天线

摘要

本发明涉及高功率微波技术领域，具体涉及一种高功率微波密布缝隙波导天线。本发明要解决的技术问题是克服现有高功率微波天线紧凑程度不高，不能应用于某些环境的不足，提供一种结构紧凑、功率容量较高且具有组阵前景的高功率微波波导缝隙天线。本发明利用波导缝隙天线单位长度缝隙数目多、每个缝隙分配耦合功率相对较小的特点实现具有较高功率容量，同时利用其缝隙开于宽边，波导窄边可以较小的特点设计出高度较低的天线，满足实际应用。本发明可以解决常规波导缝隙天线中功率容量低、尺寸较大的不足，为项目提供一种有效的技术方案。

主权项

一种高功率微波密布缝隙波导天线，其特征在于：所述天线由变截面矩形缝隙波导和薄型吸收负载组成；所述变截面矩形缝隙波导的主体为矩形金属波导管，该波导管的一端为输入口，另一端为封闭结构，即该波导管的末端通过一块金属挡板进行封闭；变截面矩形缝隙波导的一侧宽边为缝隙阵列口面，缝隙阵列口面的金属壁厚度为t_a，缝隙阵列口面上周期性地开有N个缝隙，N为天线的辐射效率达到95％时的最少缝隙个数，缝隙长度方向与变截面矩形缝隙波导的轴线垂直，缝隙的宽度为w，第n(n＝1,2,3,…,N)个缝隙的长度为l_n，缝隙的两端为圆弧形，圆弧半径为w/2，缝隙上下两个面的边缘倒圆角，倒角半径为R，相邻缝隙的间距为d；第n个缝隙中心所对应的矩形波导截面的宽边长度为a_n，窄边长度b_n，整个波导截面的宽边长度随波导轴线的变化关系a(z)及窄边长度随波导轴线的变化关系b(z)分别由一系列的a_n和b_n通过三次样条曲线插值得到；变截面矩形缝隙波导的输入端截面尺寸为a₀×b₀，其具体值由波导上游所连接器件的尺寸确定；所述薄型吸收负载为一块由磁性材料羰基铁制成的立方体，该立方体的厚度为h，横截面尺寸与变截面矩形缝隙波导的末端截面尺寸一致，薄型吸收负载安装在变截面矩形缝隙波导的末端，其厚度h沿波导轴线方向，薄型吸收负载与矩形缝隙波导末端金属挡板的间距为p；上述结构参数所满足的条件和设计步骤如下：1)确定波导基本参数：变截面矩形缝隙波导的输入端尺寸a₀和b₀根据实际应用需要设计，为了满足TE₁₀模在其中传输，一般满足λ₀/2<a₀<λ₀，b₀<λ₀/2，λ₀为自由空间中的波长；缝隙阵列口面的壁厚t_a根据强度需要和保证功率容量的需要，一般取t_a>2mm；2)拟合缝隙的等效电阻与其结构参数的关系表达式：选取不同的波导基本参数和缝隙基本参数，用CST Microwave Studio软件建立缝隙等效电阻参数提取模型，多次仿真得到不同缝隙长度l_n、波导宽边长度a_n和波导窄边长度b_n对应的缝隙等效电阻r_n，通过牛顿插值处理拟合得到缝隙的等效电阻与其结构参数的关系表达式G(r_n)＝(l_n,a_n,b_n)；3)确定天线口径场分布：根据阵列天线的增益、波束宽度、副瓣等需要，确定各个缝隙辐射电场的幅度分布E_n(n＝1,2，3,……,N)；4)确定缝隙等效电阻：第n个缝隙的归一化等效电阻公式为$r_n=\frac{E_n^2{q}^{-n+1}}{\frac{1}{\eta }\underset{i=1}{\overset{N}{\Sigma }}{E}_i^2-\underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}{E}_i^2{q}^{-i+1}}$其中，q＝e^‑2αd，α为波导衰减常数，d为相邻缝隙之间的间距，相邻缝隙间距d＝M*λ_g/4(M＝1,2,3,4)，其中，为微波在波导内的波导波长，λ₀为自由空间中的波长，为了方便设计，这里近似取E_i为第i(1≤i≤n)个缝隙辐射电场的幅度，由步骤3)得到，η为天线辐射效率，一般取0.93～0.98；5)确定每个缝隙的长度及对应波导的参数：由步骤4)可以得到第n个缝隙的归一化电阻r_n，将其代入到步骤2)拟合得到的缝隙的等效电阻与其结构参数的关系表达式G(r_n)＝(l_n,a_n,b_n)中，计算得到第n个缝隙的长度l_n，及所在位置对应的波导宽边长度a_n和波导窄边长度b_n；约束矩形缝隙波导的输入端截面尺寸为a₀和b₀，根据计算得到的a_n和b_n，应用三次样条曲线插值可得到波导的宽边长度随波导轴线z的变化函数a(z)，及波导的窄边长度随波导轴线z的变化函数b(z)，从而确定整个变截面矩形缝隙波导的横截面尺寸；6)确定缝隙的其它参数：为保证天线的行波状态和较高的功率容量，缝隙的其它参数应满足：0.05λ₀<w<0.1λ₀，0.2t_a<R≤0.5t_a，λ₀为自由空间中的波长；7)确定薄型吸收负载尺寸和位置：在已知薄型吸收负载材料的相对介电常数ε_r和相对磁导率μ_r的情况下，薄型吸收负载的厚度h和与挡板的距离p满足方程(1)所述关系，在p和h为正值实数的约束条件下，满足方程(1)的p和h值是离散的，可以根据实际工程需要，从中选取一组值：$\frac{Z_1\tanh \left({\gamma }_{1}p\right)+Z_2\tanh \left({\gamma }_{2}h\right)}{Z_1\tanh \left({\gamma }_{1}p\right)\tanh \left({\gamma }_{2}h\right)+Z_2}=\frac{Z_1}{Z_2}---\left(1\right)$其中，λ_c＝2a_N，λ₀为自由空间中的波长，η₀为矩形波导TE₁₀的波阻抗，其具体值对求解方程无关。