高功率高增益徑向線螺旋陣列天線研究.pdf

1、由于高功率微波輻射系統(tǒng)是高功率微波系統(tǒng)的終端，整個(gè)系統(tǒng)的效能均需通過高功率微波輻射系統(tǒng)體現(xiàn)出來，因此隨著高功率微波技術(shù)的不斷發(fā)展，高功率微波輻射系統(tǒng)在整個(gè)系統(tǒng)中發(fā)揮的作用日益為人們所重視，高功率微波輻射技術(shù)的研究也成為高功率微波技術(shù)的重要研究內(nèi)容之一。
　　雖然許多傳統(tǒng)的微波輻射技術(shù)都已經(jīng)成熟化，但高功率微波的固有特點(diǎn)帶來的許多新問題使得傳統(tǒng)的微波輻射技術(shù)不能在高功率微波中直接應(yīng)用。這些新問題主要包括高功率容量、旋轉(zhuǎn)軸對稱模的定向

2、輻射、高效率(低損耗和高口徑效率)、小型化等。為了解決這些問題，國內(nèi)外學(xué)者研究了波導(dǎo)模式變換器加輻射喇叭、模式轉(zhuǎn)換天線、反射面天線、陣列天線等多種天線類型，這些天線都有其各自的特點(diǎn)和適用場合，都推動(dòng)了高功率微波輻射技術(shù)的發(fā)展，但是，它們距離高功率微波對輻射技術(shù)的需求還有一定的差距。高功率微波現(xiàn)有輻射技術(shù)的不足，促使我們必須采取新的技術(shù)手段，新的方式方法，探索新型式的高功率微波天線，推進(jìn)高功率微波輻射技術(shù)的發(fā)展，并與高功率微波技術(shù)的快速發(fā)

3、展相適應(yīng)。
　　為了能更好地解決高功率微波對其輻射系統(tǒng)提出的諸多挑戰(zhàn)，本文在借鑒國內(nèi)外優(yōu)秀研究成果的基礎(chǔ)上，提出并研究一種新型的高功率微波輻射天線-高功率高增益徑向線螺旋陣列天線。過去已有學(xué)者研究了徑向線陣列天線用于高功率微波輻射，并取得了一定的研究進(jìn)展，但這些研究并未沒有最終實(shí)現(xiàn)高增益陣列，對高增益陣列實(shí)現(xiàn)過程中產(chǎn)生的新問題，如大型陣列的陣面密封、多級級聯(lián)、子陣饋電等沒有討論。因此，基于徑向線陣列天線實(shí)現(xiàn)高功率高增益的輻射天線系

4、統(tǒng)，尚有許多關(guān)鍵技術(shù)問題有待研究。
　　高功率高增益徑向線螺旋陣列天線的設(shè)計(jì)思想為：采用多個(gè)徑向線子陣組合形成高增益陣列，并由高功率多路功率分配器對各個(gè)子陣饋電；每個(gè)子陣采用高功率圓極化天線作為輻射單元，采用徑向線作為饋電波導(dǎo)，由耦合探針實(shí)現(xiàn)從徑向線到同軸波導(dǎo)的耦合，并對單元天線進(jìn)行饋電；最后使用天線罩將陣列天線進(jìn)行真空密封，同時(shí)需要考慮其他各處的密封問題，保證天線的功率容量。根據(jù)該設(shè)計(jì)思想中所包含的內(nèi)容，對論文研究過程中所涉及的

5、相關(guān)理論進(jìn)行了系統(tǒng)的總結(jié)。
　　在高功率高增益徑向線螺旋陣列天線設(shè)計(jì)思想的基礎(chǔ)上，對陣列天線的關(guān)鍵部件-高功率單元天線進(jìn)行了研究。首先從螺旋天線理論入手闡述了螺旋天線的輻射特性，分析了短螺旋天線在圓極化輻射中的應(yīng)用；然后依據(jù)陣列天線的特點(diǎn)，提出了一種基于單元級的短螺旋天線密封方案，解決了大型陣列的陣面密封問題；隨后，分析了該方案下存在的功率容量較低的問題，并有針對性的進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)，獲得了具有較高功率容量的新型高功率單元天線；最后

6、，對新型高功率單元天線間的互耦大小進(jìn)行了分析，并對此密封方案的真空密封特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測試。研究結(jié)果表明，新型高功率單元大線相對于高功率短螺旋天線的功率容量提高了4倍，達(dá)8MW；單元間的互耦系數(shù)減小了約10dB；對單個(gè)輻射單元的真空密封測試結(jié)果表明，真空度可以達(dá)104-4pa量級，驗(yàn)證了上述方案的可行性。
　　然后對高功率徑向線子陣進(jìn)行了研究。高功率徑向線子陣是高功率高增益徑向線螺旋陣列天線的組成單位，子陣性能將很大程度上決定高增益

7、陣列天線的性能。論文首先對16單元矩形柵格子陣進(jìn)行了設(shè)計(jì)，該子陣采用第三章中所提出的新型高功率單元天線作為輻射單元，相關(guān)實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了該高功率單元天線應(yīng)用于徑向線子陣的可行性。其次對三角形柵格的徑向線子陣進(jìn)行了研究。三角形柵格的陣列柵格形式與矩形柵格相比，在相同的單元間距下具有更好的柵瓣抑制能力，可以節(jié)約單元個(gè)數(shù)。采用相同的單元天線，分別對3單元、4單元、6單元和8單元的三角形柵格子陣及其饋電系統(tǒng)進(jìn)行了研究，分析了其匹配特性和輻射特性，

8、認(rèn)識到了改善子陣性能的方法；最后對性能較優(yōu)的12單元三角形柵格徑向線子陣進(jìn)行了設(shè)計(jì)，采用兩種耦合探針實(shí)現(xiàn)了子陣饋電系統(tǒng)，對加載短螺旋天線后的天線輻射特性進(jìn)行了分析研究，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了多單元三角形柵格徑向線子陣的呵行性。
　　接著對高功率多路功率分配器進(jìn)行了研究。高功率多路功率分配器豐要實(shí)現(xiàn)對各個(gè)高功率徑向線子陣進(jìn)行饋電，其核心問題包括高功率容量、多路等幅同相輸出和等路徑饋電等。為了滿足此要求，論文探討了兩種實(shí)現(xiàn)高功率多路功率分配

9、的方案。第一種功率分配方案采用徑向線功率分配器和同軸連接波導(dǎo)實(shí)現(xiàn)。但由于陣列天線對等路徑饋電的需求，使得該方案下連接波導(dǎo)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，連接長度較長，影響了整個(gè)天線系統(tǒng)的效率和結(jié)構(gòu)緊湊性。第二種功率分配方案由同軸波導(dǎo)-4路矩形波導(dǎo)、HT波導(dǎo)和波導(dǎo)同軸轉(zhuǎn)換等三個(gè)元件采用4級級聯(lián)構(gòu)成，功率分配在平面內(nèi)進(jìn)行，軸向尺寸短，結(jié)構(gòu)緊湊且滿足等路徑饋電要求。相關(guān)研究結(jié)果表明，對16個(gè)排列為4×4的子陣饋電時(shí)，采用第二種高功率16路功率分配方案更具優(yōu)勢，

10、實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了其可行性。
　　最后對高功率高增益徑向線螺旋陣列天線進(jìn)行了集成和實(shí)驗(yàn)。基于前面各章對高功率高增益徑向線螺旋陣列天線各分系統(tǒng)的研究結(jié)果，采用16個(gè)16單元矩形柵格子陣構(gòu)成256單元陣面，采用第二種功率分配方案中所述的高功率16路功率分配器對各子陣進(jìn)行饋電，首次實(shí)現(xiàn)了具有較高增益的高功率徑向線陣列天線模型，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該天線設(shè)計(jì)思想的合理性。相關(guān)的實(shí)驗(yàn)和分析結(jié)果表明：天線軸向增益約30 dB，圓極化軸比約為1dB，功率