宽带同轴高功率微波TEM‑TM01模式转换天线的制作方法

技术特征：

1.一种宽带同轴高功率微波TEM-TM₀₁模式转换天线，其特征在于：所述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；

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：

$\frac{2c}{\mathrm{\π}(r+R)}\<f\<\frac{mc}{\mathrm{\π}(r+R)}---\left(1\right)$

其中f为高功率微波工作频率，对于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均满足公式(1)，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，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：

$ln01\&ap;\frac{c}{8f_2}---\left(2\right)$

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：

$Rd01\&ap;\frac{r}{4}---\left(3\right)$

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：

$r01\&ap;\frac{r}{4}---\left(4\right)$

头锥第二过渡段轴向长度满足：

$ln02\&ap;\frac{R}{10}---\left(5\right)$

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

$P_{max}=0.5{\left(\frac{50000000}{E_{max}}\right)}^2---\left(8\right)$

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：

$Rs\&lt;\frac{c}{20f_2}---\left(9\right)$

第一支撑杆组合与同轴注入端口口面的距离l0应满足：

$l0\&ap;\frac{c}{4f_1}---\left(10\right)$

第一支撑杆组合与第二支撑杆组合之间的距离l1满足：

$l1\&ap;\frac{c}{4f_2}---\left(11\right)$

第二支撑杆组合与内导体头锥之间的距离满足：

$l2+Rs+ln0\&ap;\frac{c}{4f_1}---\left(12\right)$

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：

$ln0\&ap;\frac{c}{8f_2}---\left(13\right)$

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：

$l3\&ap;\frac{c}{4(f_2+f_2)};---\left(14\right)$

d.张角喇叭的第一过渡段轴向长度满足：

$lw01\&ap;\frac{c}{2(f_1+f_2)}---\left(15\right)$

第二过渡段轴向长度满足：

$lw02\&ap;\frac{c}{f_1}---\left(16\right)$

第三过渡段轴向长度满足：

$lw03\&ap;\frac{c}{2(f_1+f_2)}---\left(17\right)$

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：

$R01\&ap;\frac{R+R02}{2}---\left(18\right)$

第三过渡段半径等于R02；

e.介质透镜的厚度lt满足：

$lt\&ap;\frac{c}{2f_2\sqrt{\mathrm{\&epsiv;}}}---\left(19\right)$

式中ε为介质透镜所选用介质的介电常数。

2.根据权利要求1所述宽带同轴高功率微波TEM-TM01模式转换天线，其特征在于：所述模式转换天线的参数满足：同轴内导体外半径r＝57mm，同轴外导体的内半径R＝95mm，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，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，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，内导体头锥的底部距离第三支撑杆组合的距离为ln0＝21.35mm，内导体头锥第一渐变段长度ln01＝11.95mm，内导体头锥第二渐变段长度ln02＝9.60mm，内导体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，内导体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，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，介质透镜的厚度lt＝63.83mm，口径至少覆盖张角喇叭第三过渡段口径。