新型高功率微波共轴模式转换器及模式转换天线研究

论文摘要

目前,多数高功率微波源（如虚阴极振荡器、相对论返波管、磁绝缘线振荡器等）产生的微波模式都为旋转轴对称模,如圆波导TM01和同轴TEM模等。这些模式若直接发射或用于驱动一些传统天线,将产生轴向为零的环状远场方向图,其能量分散、增益低,不利于高功率微波的定向发射与传输。为此,通常要应用高功率微波模式转换器将TM01或同轴TEM模转变为易于定向发射的圆波导TE11模,再向外发射,或者采用特殊结构的模式转换天线直接辐射。然而,到目前为止,几种高功率微波模式转换器或模式转换天线,如双弯曲型模式转换器、Vlasov天线（转换器）和COBRA天线等.尚不能很好地解决天线的共轴发射或紧凑化设计等问题。在此背景下,本文提出了一种新型共轴模式转换器一一同轴插板式模式转换器,它通过在同轴波导内插入几块金属板实现模式转换,具有转换效率高、输出与系统共轴、结构紧凑以及实现容易等优点。论文对该模式转换器进行了详细的理论分析、数值仿真和实验研究,并在此基础上提出了更为紧凑的、集模式转换和定向发射于一体的模式转换天线。另外,为了实现模式转换器输出圆波导TE11模的定向辐射,论文还研究了一种紧凑型的介质透镜喇叭天线。论文的研究内容主要包括以下几个方面:1.提出并系统地研究了同轴插板式模式转换器。首次提出了通过改变同轴波导内不同区域相位实现模式转换的思想,设计了同轴插板式模式转换器的基本结构。对同轴插板式TEM—TE11模式转换器进行了系统的分析,包括模式转换器内发生的各个模式转换过程、模式转换器的反射特性以及频率特性等,得到了许多有益的结论。设计了同轴插板式TM01—TE11模式转换器,并对其进行了详细的数值仿真和实验研究。该模式转换器在中心频率上转换效率大于99%,转换效率大于90%的带宽超过15%。实验结果与理论分析基本一致。在工程设计上,实现了该模式转换器和虚阴极振荡器的一体化设计,在实验中获得了输出为TE11模的高功率微波,微波功率大于1GW。2.为了实现圆波导TE11模的定向发射,研究和设计了紧凑型介质透镜喇叭天线。通过分析比较得出,利用口径上加载介质透镜的圆锥喇叭可以设计出辐射圆波导TE11模的紧凑型高功率微波天线。用射线法建立了介质透镜喇叭天线辐射场的计算方法,并对几种不同形式的介质透镜进行了计算、分析和比较。结果表明,平凸型介质透镜喇叭天线可以在较小的轴向尺寸下获得较高的增益,其反射也最小。所设计的平凸型介质透镜喇叭天线在2.5～7.0GHz的频率范围内口径效率大于75%,反射小于-17dB。在4GHz时,该天线的长度和口径面积仅分别相当于同增益圆锥喇叭的约47%和63%。对由此喇叭天线和前述TM01—TE11模式转换器所组成的辐射系统进行了实验研究,获得了理想的结果。3.引入了一种结构紧凑的同轴喇叭结构,并由此提出了一种新型模式转换天线。为了进一步缩小发射系统的体积、减轻其重量,引入了一种可以辐射同轴TE11模的紧凑型同轴圆锥喇叭,该喇叭可以和缩短了的同轴插板式模式转换器有机结合,设计出结构紧凑的模式转换天线。此处,模式转换器能够缩短是由于它输出同轴TE11模,而不需将同轴TE11模进一步转变为圆波导TE11模。对同轴喇叭进行了系统的研究,结果表明,该喇叭具有纵向尺寸短、口径效率高、频带宽和副瓣小等优点。设计了中心频率为1.76GHz的模式转换天线,天线的理论增益为17.6dBi,口径效率大于77%,天线的冷测结果与数值计算结果一致性较好。同时还进行了该天线与高功率微波源MILO的联合实验,获得了轴向辐射的高功率微波笔形射束,微波功率大于3GW。同时,为了满足在更多情况下的应用需求,论文还进行了高频、大尺寸情况下模式转换天线的设计,进一步扩展了同轴插板式模式转换结构的应用范围。4.提出了圆极化模式转换器并进一步设计了圆极化模式转换天线。通过增加插板数量、改变插板之间的长度关系,首次提出和设计了把同轴TEM模转变为圆极化TE11模的圆极化模式转换器。将其与同轴喇叭结合,构成了圆极化模式转换天线。优化设计了中心频率为4GHz的两种形式的圆极化模式转换天线,第一种天线结构简单,第二种天线则相对紧凑。其中,第一种天线在长度38.5cm、口径32.0cm的尺寸下获得了增益为19.3dBi、口径效率为47.4%的理论计算结果;而优化设计的紧凑型天线则在长度33.0cm、口径30.8cm的结构尺寸下获得了增益为19.8dBi、口径效率为57.7%的理论结果。对紧凑型天线进行了实验测量,测量结果与计算结果基本一致。此外,还设计了将同轴TEM模转变为圆波导TE11模的高效率圆极化模式转换器,在中心频率4.05GHz上,该转换器的转换效率为99%,轴比为1.01;在3.80～4.35GHz的频率范围内,其转换效率大于90%（带宽约为13.6%）,轴比小于1.40。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 高功率微波及高功率微波源
• 1.2 高功率微波辐射系统的特点及研究现状
• 1.3 课题的研究内容及结构安排
• 第二章 新型模式转换器研究
• 2.1 新型模式转换器的提出及基本原理
• 2.2 扇形波导内的微波模式及相关特性
• 11模'>2.3 模式转换过程I:同轴波导TEM模—90°扇形波导TE₁₁模
• 11模—180°扇形波导TE₁₁模'>2.4 模式转换过程II:90°扇形波导TE₁₁模—180°扇形波导TE₁₁模
• 11模—同轴波导模式'>2.5 模式转换过程III:180°扇形波导TE₁₁模—同轴波导模式
• 2.6 模式转换过程IV:同轴波导模式—圆波导模式
• 2.7 模式转换器的反射特性分析
• 2.8 模式转换器的频率特性分析
• 2.9 模式转换器的设计
• 2.10 模式转换器的数值仿真
• 2.11 模式转换器的实验冷测
• 2.12 模式转换器的高功率微波实验
• 2.13 总结
• 第三章 紧凑型介质透镜喇叭天线研究
• 3.1 透镜喇叭天线的基本原理
• 3.2 介质透镜的几种形式
• 3.3 介质透镜喇叭天线辐射特性计算
• 3.4 不同形状介质透镜喇叭天线的比较研究
• 3.5 紧凑型介质透镜喇叭天线的设计
• 3.6 介质透镜喇叭天线的数值计算和特性分析
• 3.7 介质透镜喇叭天线的实验冷测
• 3.8 介质透镜喇叭天线的高功率微波实验测量
• 3.9 总结
• 第四章 线极化模式转换天线研究
• 4.1 线极化模式转换天线的提出和基本结构
• 4.2 新型同轴喇叭的设计及其特性
• 4.3 线极化模式转换天线的整体设计和仿真
• 4.4 线极化模式转换天线的实验研究
• 4.5 高频大尺寸情况下模式转换天线的设计
• 4.6 总结
• 第五章 圆极化模式转换天线研究
• 5.1 圆极化模式转换器的基本原理
• 5.2 圆极化模式转换器的反射特性分析
• 5.3 圆极化模式转换天线的设计和数值计算
• 5.4 紧凑型圆极化模式转换天线的设计和分析
• 5.5 紧凑型圆极化模式转换天线的实验研究
• 11模圆极化模式转换器的设计和数值计算'>5.6 同轴TEM—圆波导TE₁₁模圆极化模式转换器的设计和数值计算
• 5.7 总结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 主要工作与结果
• 6.2 主要创新点
• 6.3 研究展望
• 致谢
• 作者在学期间取得的学术成果
• 附录
• A. 同轴波导内金属支撑杆反射特性研究
• B. 变截面同轴波导模式耦合系数研究
• 参考文献