宽带同轴高功率微波TEM‑TM01模式转换天线的制作方法

本发明属于高功率微波技术领域，具体涉及一种宽带同轴高功率微波TEM-TM₀₁模式转换天线，尤其是一种工作在高功率水平的TEM-TM₀₁模式转换天线。

背景技术：

高功率微波的应用需求决定了高功率微波技术朝着高脉冲能量、高重复频率、宽频谱覆盖范围等方向发展，其最终目的是要提高微波的输出能力。当前研究的主要方向有提高单个微波源的输出峰值功率、增加输出微波的脉冲宽度、提高微波源束波转换效率，以及保持以上微波核心参数保持基本不变的情况下增加微波源的频谱覆盖范围等。分析可知，增加频谱覆盖范围的方法有：利用单个窄带微波源在宽带甚至超宽带频率范围内频率调谐，或者直接产生宽带高功率微波等。可宽带工作的高功率微波系统相较于窄带高功率微波系统有较宽的效应频谱、较高的目标耦合效率和能量转换效率，同时具有比超宽带高功率微波系统具有更高的能谱密度和更强的定向辐射至远距离的能力，因此，可宽带工作的高功率微波系统结合了窄带高功率微波与超宽带高功率微波的技术特点，不依赖于对目标的先验性认识。

可宽带工作的高功率微波系统在军事和民用领域都有较为广泛的应用，因此各国学者都积极开展宽带范围内辐射高功率微波系统的研究工作。

袁成卫等人介绍了一种高功率微波模式转换天线【袁成卫,刘庆想,钟辉煌.一种新型高功率微波模式转换天线[J].电波科学学报.2005,20(6)：716-719.】。如图1所示，该模式转换天线利用一组同轴插板进行模式变换，并在内导体末端设置一个倾斜头锥。在喇叭口径D＝280mm，头锥顶部直径d＝38mm和头锥长度h＝37mm条件下获得了最大增益，90％效率带宽约20％。实验结果显示，该模式转换天线可承受微波功率为3GW，脉宽为26ns的高功率微波辐射。

张信歌等人研究了一种径向双层介质加载圆波导的模式转换天线【张信歌，李少甫，张珂瑜.径向双层介质加载圆波导的TE₁₁-HE₁₁模式转换天线[J].强激光与粒子束.2015,27(12)：123002-1～123002-5.】。该模式转换天线由圆波导TE₁₁-HE₁₁模式转换器和辐射器组成：圆波导TE₁₁-HE₁₁模式转换器是在圆波导内沿径向加载两种不同介电常数的微波介质来完成模式转换，辐射器采用开口圆波导或小张角圆锥喇叭将HE₁₁模辐射出去。如图2所示，该模式转换天线在I区填充的介质为相对介电常数1.06的聚苯乙烯泡沫，II区内层介质为相对介电常数为2.5的聚苯乙烯，包层介质为聚苯乙烯泡沫，III区为相对介电常数为2.08的聚四氟乙烯，II区内层介质的输出半径a＝19.2mm，包层介质的厚度t＝4.227mm，且满足r＝a+t，当L_I＝L_III＝30mm，L_II＝68mm，b＝5.5mm时，该模式转换天线在8.2～10.2GHz频带内，转换效率大于96％，最大为98.6％，相对带宽可达21.28％。该文章指出，按真空射频击穿阈值60kV/mm估算，功率容量可达3.3GW。而如果取真空击穿经验阈值50kV/mm估算，在理想情况下，该模式转换天线各层介质间气体完全排出的条件下，其功率容量约为2.3GW，实际工作中由于 低压气体难以完全排出，此功率阈值更低。

综上，前人基于不同的原理和方法，设计了多种多样的模式转换天线。这些模式转换天线既有优点，也有一定的不足，主要体现在：1.现有的高功率微波模式转换天线技术仍不能完全满足高功率微波发展在带宽方面面临日益迫切的应用需求，较少达到30％以上相对带宽；2.在较宽的频率保证较高的能量传输效率，特别是传输效率高达90％以上的带宽不能满足要求；3.较少涉及功率容量达4GW以上的模式转换天线。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是克服现有高功率微波模式转换天线在传输效率、相对带宽以及功率容量等方面的不足，提供一种具有功率容量高于4GW，传输效率高于90％且相对带宽达30％的宽带同轴高功率微波TEM-TM₀₁模式转换天线。

本发明采用的技术方案是：一种宽带同轴高功率微波TEM-TM₀₁模式转换天线，包括同轴内导体、第一支撑杆组合、第二支撑杆组合、第三支撑杆组合、同轴外导体、张角喇叭、介质透镜；所述同轴内导体类似于一口平放的撞钟，位于模式转换天线微波输入口一端，由第一、第二、第三组支撑杆组合支撑，所述支撑杆组合再由同轴外导体支撑；所述同轴外导体一端与同轴内导体配合，作为微波的同轴注入端口，另一端连接张角喇叭，所述张角喇叭由三段张角不同的过渡段组成，分别为第一过渡段、第二过渡段、第三过渡段，第三过渡段的末端连接介质透镜。高功率微波由同轴内外导体组成的同轴注入端口注入，通过三组支撑杆后在同轴内导体的球形头锥处转换为圆波导TM₀₁模式，再经张角喇叭通过介质透镜辐射到自由空间。

本发明所述宽带同轴高功率微波TEM-TM₀₁模式转换天线结构尺寸满足以下条件：

a.同轴内导体外半径r和同轴外导体的内半径R应满足：

其中f为高功率微波工作频率，对于本发明所述宽带同轴高功率微波模式转换天线而言，需要保证工作频率范围f₁<f<f₂(f₁为本发明所述宽带同轴高功率微波TEM-TM₀₁模式转换天线的最低工作频率，f₂为本发明所述宽带同轴高功率微波TEM-TM₀₁模式转换天线的最高工作频率。)均满足公式(1)，c为光速；

b.内导体头锥由三段半径逐渐减小的导体连接而成，分别为头锥第一渐变段、头锥第二渐变段、头锥第三渐变段，头锥第一渐变段段与头锥第二渐变段为线性渐变段，头锥第三渐变段由一半球形帽构成；

头锥第一渐变段半径保持不变，等于同轴内导体的外半径r，轴向长度满足：

在第一渐变段与头锥第一过渡段结合处倒角，倒角半径满足：

头锥第二过渡段起始半径等于同轴内导体的外半径r，终点半径满足：

头锥第二过渡段轴向长度满足：

头锥第三过渡段起始半径等于r01，终点半径Rd02＝Rd01，头锥第三过渡段轴向长度满足：

ln03≥1.5Rd01 (6)

头锥第三过渡段终点倒角，半径为Rd02；

c.三组支撑杆结构完全一致；每组支撑杆均由m根在同一平面内沿内外导体圆周角向均匀排列的圆柱形金属杆组成，圆柱金属杆柱体轴线方向与同轴内导体半径方向重合，且有：

m≥3 (7)

实际工作中应选择满足(1)式和(2)式，以及保证功率容量P_max的最小m值。实际功率容量P_max可用CST电磁仿真计算软件根据(8)式计算得到

式中，E_max为CST电磁仿真计算软件计算得到该模式转换天线内最大场强值，单位V/m；

各支撑杆组合相应的圆柱形金属杆轴线位于同一平面，且互相平行；

各组支撑杆相应的圆柱形金属杆直径Rs小于最小工作波长的1/20，即：

第一支撑杆组合与同轴注入端口口面的距离l0应满足：

第一支撑杆组合与第二支撑杆组合之间的距离l1满足：

第二支撑杆组合与内导体头锥之间的距离满足：

式中，l2为第二支撑杆组合与第三支撑杆组合的距离，ln0为第三组支撑杆与内导体头锥底部之间的距离。第三支撑杆组合与内导体头锥之间的距离ln0应满足以下条件：

第三支撑杆组合与同轴外导体和张角喇叭连接一端口面的距离满足：

d.张角喇叭的第一过渡段轴向长度满足：

第二过渡段轴向长度满足：

第三过渡段轴向长度满足：

第一过渡段起始半径与同轴外导体内半径R相同，第二过渡段的终点半径R02由CST软件根据天线所需远场增益确定，第一过渡段终点半径满足：

第三过渡段半径等于R02；

e.介质透镜的厚度lt满足：

式中ε为介质透镜所选用介质的介电常数。

在如上所述技术方案中，(2)～(5)，(10)～(19)式给出的数值为理论上较为优化的初始值，实际设计中可在本发明给出数值上下浮动20％，利用CST仿真软件优化得到最佳的参数组合，得到传输效率高于90％的最大带宽。

本发明的工作原理为：同轴TEM模式注入的高功率微波经三组支撑杆组合抵达内导体头锥，因TEM模式在同轴段传输过程中电场极化方向沿径向，因此在内导体头锥处，由于头锥渐变为空心圆波导，使得电场在轴对称中心处沿头锥逐渐变为零，此时的模式分布逐渐与圆波导TM₀₁模式接近，直到完全转化为圆波导TM₀₁模式；同时，合理选择三组支撑杆的间距、支撑杆与内导体头锥距离、头锥各渐变段长度、张角喇叭各过渡段长度以及介质透镜的厚度，使由各处不连续性产生的反射在高功率微波注入端口抵消，同时使高功率微波工作的频率带宽增加，且保证了模式转换天线内部场降低，从而实现宽频带、高效率和高功率容量的高功率微波模式转换天线。

本发明具有以下技术效果：现有技术相比，由于本发明结构简单，反射更小，本可使功率容量大幅提高，传输效率高的频带宽度得到较大提升，可以应用于高功率微波模式转换天线辐射输出系统中。

附图说明

图1为背景技术【袁成卫,刘庆想,钟辉煌.一种新型高功率微波模式转换天线[J].电波科 学学报.2005,20(6)：716-719.】模式转换天线结构图；

图2为背景技术【张信歌，李少甫，张珂瑜.径向双层介质加载圆波导的TE11-HE11模式转换天线[J].强激光与粒子束.2015,27(12)：123002-1～123002-5.】模式转换天线结构图；

图3为宽带同轴高功率微波TEM-TM₀₁模式转换天线沿平行于高功率微波传播方向的纵切面结构图；

图4为本发明各组支撑杆组合沿垂直于高功率微波传播方向的横截面结构图；

图5为本发明内导体头锥沿平行于高功率微波传播方向的纵切面结构图；

图6为本发明变张角喇叭沿平行于高功率微波传播方向的纵切面结构图；

图7为利用本发明宽带同轴高功率微波TEM-TM₀₁模式转换天线注入1.33GHz、4.1GW高功率微波，在远场测量得到的输出波形；

图8为利用本发明宽带同轴高功率微波TEM-TM₀₁模式转换天线注入1.76GHz、4.2GW高功率微波，在远场测量得到的输出波形。

具体实施方式

国防科学技术大学设计了如上所述宽带同轴高功率微波TEM-TM₀₁模式转换天线，工作于L波段1.33～1.78GHz，最低工作频率f₁为1.33GHz，最高工作频率为f₂为1.78GHz。根据公式(1)计算选择高功率微波注入端口，同轴内导体外半径r＝57mm，同轴外导体的内半径R＝95mm，同轴内导体和同轴外导体材料均为不锈钢，厚度以满足真空条件下的机械强度即可，本发明建议的厚度为7.5mm，其他涉及金属厚度处的处理方法与此处相同。第一支撑杆组合与高功率微波注入端口的距离l0＝61.55mm，第二支撑杆组合与第一支撑杆组合的距离l1＝44.52mm，第二支撑杆组合与第三支撑杆组合的距离l2＝34.26mm。三组支撑杆组合结构完全相同，每组支撑杆组合均由m＝4根直径Rs＝4mm的圆柱形不锈钢金属杆组成，每组内的4根支撑杆均位于同一平面内，沿角向间隔90度均匀排放，各组支撑杆组合的圆柱金属杆两端分别连接同轴内导体和同轴外导体。第三组支撑杆组合距离同轴外导体与天线连接一端的口面距离l3＝51.88mm。三组支撑杆组合共同支撑同轴内导体，且保证三组支撑杆组合的四只圆柱形金属杆轴线位于同一平面，并各自沿同轴内导体的轴向方向平行。

内导体头锥的底部距离第三支撑杆组合的距离为ln0＝21.35mm，内导体头锥由头锥第一渐变段、头锥第二渐变段、头锥第三渐变段组成，且在渐变结合的尖角处安排相应的倒角。其中，头锥第一渐变段长度ln01＝11.95mm，半径保持不变；头锥第二渐变段长度ln02＝9.60mm，头锥第二渐变段的起始半径为r＝57mm，终点半径为r01＝30.35mm，在头锥第一渐变段和头锥第二渐变段结合处倒角Rd01＝15.00mm；头锥第三渐变段长度ln03＝25.43mm，起始半径为r01，终点半径r02＝30.00mm，在头锥第三渐变段的终点处设置一个倒角，倒角半径Rd02＝15.00mm。

高功率微波TEM模式在内导体头锥的头部转换为TM₀₁模式后注入张角喇叭。张角喇叭由第一过渡段、第二过渡段和第三过渡段组成。其中张角喇叭第一过渡段起始半径与同轴外导体内半径R＝95mm相同，终点半径R01＝148.88mm，轴向长度lw01＝110.04mm；张角喇叭第二过渡段起始半径与喇叭第一过渡段终点半径R01相同，终点半径R02＝500.00mm，轴向长度lw02＝241.96mm；张角喇叭第三过渡段的半径保持不变，与张角喇叭第二过渡段终点半径R02相同，轴向长度lw03＝114.97mm；在张角喇叭的末端设置一个介质透镜，其厚度lt＝63.83mm，口径至少覆盖张角喇叭第三过渡段口径。

利用本模式转换天线对可调谐高功率微波源的功率进行了辐射测量，在1.33GHz以及1.76GHz注入高功率微波条件下，采用远场积分法测得了远场辐射功率分别为4.1GW和4.2GW，分别如图7和图8所示，可以看出波形比较饱满，波形脉冲宽度无明显凹陷，证明了本发明在4GW条件下可以正常工作，验证了本发明方案的技术可行性。