一种提高反射面天线副面功率容量的天线罩及其设计方法与流程

1.本发明涉及到高功率微波技术领域，特别涉及一种提高天线副面功率容量的天线罩及其设计方法。


背景技术：

2.随着脉冲功率以及微波源的快速发展，目前高功率微波(hpm)在功率上已经达到了gw级的水平。在当前高功率微波实验和应用研究中发现，微波功率的提高以及脉宽的增长将导致天线近场的大气击穿问题越来越严重，这将影响天线的正常工作。
3.双反射面天线系统具有较高的天线效率，容易实现高增益，是辐射高功率微波的理想天线形式，但从反射面天线馈源辐射出来的高功率微波为行波态，其峰值电场强度已经接近大气击穿场强。当反射面天线辐射的高功率微波到达双反射面天线副面区域时，由于金属副反射面附近入射波与反射波的相干叠加，当局部最大功率密度超过大气击穿阈值时，将出现大气击穿现象，影响系统性能。
4.现有技术中，对天线的高功率微波大气击穿防护的相关技术研究均应用在高功率微波的发射天线上:解放军信息工程大学的杨建宏等人在《大气击穿对高功率微波天线的影响》([j].强激光与粒子束.2005)中对典型口径天线的近场轴向功率密度分布进行了理论分析与公式推导，为典型口径发射天线近场是否存在大气击穿以及确定击穿位置提供理论依据。国防科技大学的杨一明等人在《高功率微波天线近场大气击穿的研究》([j].国防科技大学硕士学位论文.2010)中提出了一种具有高速喷管的新型高功率微波辐射系统，通过向前喷射sf6气流，在发射喇叭天线附近形成包围区域，提高了天线近场的击穿阈值。


技术实现要素：

[0005]
有鉴于此，本发明提供了一种提高反射面天线副面功率容量的天线罩及其设计方法。该天线罩能够有效抑制双反射面天线副反射面附近的高功率微波大气击穿，提高双反射面天线系统的副面功率容量，同时具有低插入损耗，对双反射面天线系统的辐射性能影响小的特点。
[0006]
为了实现上述目的，本发明所采取的技术方案为：
[0007]
一种提高反射面天线副面功率容量的天线罩，包括罩体；所述罩体为球面壳体结构，其顶部设有开口且开口处安装有用于连接天线副面的过渡板；所述罩体包括整罩蒙皮、介质加强筋和翻边蒙皮，介质加强筋为球面架，其内侧与翻边蒙皮固定，其外侧安装整罩蒙皮。
[0008]
进一步的，所述介质加强筋的材料为高强度硬质泡沫。
[0009]
进一步的，所述整罩蒙皮和翻边蒙皮的材料均为石英氰酸酯。
[0010]
进一步的，所述过渡板的另一侧和副反射面连接，副反射面、过渡板和罩体构成一密闭空间；所述密闭空间内填充用于提高副反射面附近区域的击穿阈值的六氟化硫。
[0011]
一种提高反射面天线副面功率容量的天线罩的设计方法，设计如上述任意一项所
述的天线罩，包括如下具体步骤：
[0012]
步骤1，利用电磁仿真的方式计算在大功率微波照射条件下的天线副反射面附近的电场强度，获得天线副反射面附近的大气击穿区域空间分布；
[0013]
步骤2：根据天线副反射面附近击穿区域分布设计确定天线罩的最小外轮廓；
[0014]
步骤3：采用优化算法对天线罩的外形曲线进行优化设计，使馈源出射的入射波以及经过天线副反射面散射后的出射波与罩体表面法线的夹角最小；
[0015]
进一步的，所述优化算法具体包括以下过程：
[0016]
步骤301，以天线副反射面形状作参考设计参数，使其作为天线罩的初始形状以及粒子群算法优化的初始种群；
[0017]
步骤302，将设计参数进行多项式拟合，拟合后天线罩形状更加均匀。通过天线罩的几何光学关系来计算不同光线的入射角和出射角；
[0018]
步骤303，以光线入射角和出射角的最大值作为适应度函数，以多项式拟合的多项式系数作为优化变量，确定优化变量变化的范围，通过粒子群算法进行优化，得到使适应度函数最小的全局最优解；
[0019]
步骤304，将全局最优解进行多项式拟合，得到罩体外形曲线，此时入射角和出射角与罩体外壁的夹角最小。
[0020]
本发明采取上述技术方案所产生的有益效果在于：
[0021]
1、本发明涉及的副反射面罩应用于抑制双反射面天线副反射面附近的高功率微波大气击穿，提高双反射面天线系统的副面功率容量。
[0022]
2、本发明的罩体外形接近于“白炽灯泡”，其精细外形采用优化算法设计而成。优化后的罩体外形使得馈源出射的入射波以及经过副反射面散射后的出射波与罩体表面法线的夹角最小。优化设计后的罩体具有较低的插入损耗，对天线系统的辐射性能影响小。
[0023]
3、本发明罩体外表面蒙皮为低损耗的纤维
‑
树脂复合材料，蒙皮内表面贴合有若干根泡沫筯，蒙皮材料采用石英氰酸酯。该罩体采用介质加强筋结构，属于刚性罩，相比多层介质罩，降低了成型工艺难度；相比柔性天线罩，具有一定结构强度，环境适应性好。
附图说明
[0024]
图1是正馈双反射面天线系统示意图。
[0025]
图2是图1中天线副反射面附近击穿区域分布。
[0026]
图3是图1中罩体的结构示意图。
[0027]
图4是图1中副反射面天线罩材料体系。
[0028]
图5是正馈双反射面天线的增益方向图。
[0029]
图6是偏馈双反射面天线系统示意图。
[0030]
图7是图6中天线副反射面附近击穿区域分布。
[0031]
图8是图6中副反射面罩结构示意图。
[0032]
图9是偏馈双反射面天线的增益方向图。
[0033]
图中：1、天线反射面，2、罩体，3、蒙皮，4、介质加强筋，1.1、整罩蒙皮，2.1、介质加强筋，3.1、翻边蒙皮。
具体实施方式
[0034]
下面，结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的说明。
[0035]
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0036]
一种提高双反射面天线副面功率容量的天线罩。这种副面天线罩采用介质加强筋结构，属于刚性罩。罩主体结构为曲面壳体结构，包括外层整罩蒙皮1.1、介质加强筋2.1以及包裹内层翻边蒙皮3.1，其中，外层整罩蒙皮为曲面壳体结构，介质加强筋沿曲面球壳体均匀分布，并由内层翻边蒙皮包裹。罩体通过过渡板与天线副反射面螺接。
[0037]
本发明提供了一种提高双反射面天线副面功率容量的天线罩设计方法。主要包括以下步骤：通过理论分析或电磁仿真计算得到副反射面附近的电场强度，获得副反射面附近的击穿区域空间分布；根据副面附近击穿区域分布确定低损耗副反射面罩的最小外廓；采用优化算法对罩体曲线进行优化，使得罩体曲线每一点的切线方向与入射波以及反射波的传输方向夹角最小，优化后夹角均控制在44
°
以内，此时罩体外形为“白炽灯泡”结构。将副反射面天线罩内充满sf6或其他惰性气体，提高副反射面附近区域的击穿阈值。
[0038]
作为一种优选方案，所述的介质加强筋材料为高强度硬质泡沫。
[0039]
作为一种优选方案，所述的蒙皮材料为石英氰酸酯。
[0040]
下面为更一具体的实施例：
[0041]
实施例一：提高正馈双反射面天线系统副面功率容量的天线罩设计，参照图1至图5；
[0042]
图1为正馈双反射面天线系统示意图，这种天线系统的反射面为标准抛物面，馈源放置在反射面的焦点上。针对这种高功率天线系统，抑制高功率击穿副反射面罩的设计方案为：
[0043]
步骤1：利用电磁仿真的方法计算在大功率微波照射条件下的天线副反射面附近的电场强度，获得天线副反射面附近的大气击穿区域空间分布，如图2所示；
[0044]
步骤2：根据副面附近击穿区域分布设计低损耗副面罩的材料体系，作为一种优选方案，本设计方案采用石英氰酸酯与泡沫，如图3所示。
[0045]
步骤3：采用优化算法对天线罩的外形曲线进行优化设计，使馈源出射的入射波以及经过副反射面散射后的出射波与罩体表面法线的夹角最小。
[0046]
步骤4：图3为正馈双反射面天线系统副反射面罩结构示意图，这种天线罩主体结构为刚性曲面壳体结构，罩体外形接近于“白炽灯泡”，包括外层整罩蒙皮1、介质加强筋2以及包裹内层翻边蒙皮3，其中，外层整罩蒙皮为曲面壳体结构，介质加强筋沿曲面球壳体均匀分布，并由内层翻边蒙皮包裹。罩体通过过渡板与天线副反射面螺接。
[0047]
步骤5：在罩体内充满sf6气体或提高大气击穿阈值的其他气体。
[0048]
如图5所示，将正馈双反射面天线采用本方案设计的副反射面天线罩前后的仿真增益方向图进行对比，结果表明这种抑制高功率微波击穿的副反射面天线罩具有较低的插入损耗，仅为0.2db，对双反射面天线的辐射性能影响较小。
[0049]
实施例二：提高偏馈双反射面天线系统副面功率容量的天线罩设计，参照图6至图9；
[0050]
图6为偏馈卡塞格伦双反射面天线系统。针对这种高功率天线系统，抑制高功率击穿副反射面罩的设计方案与第一种实施案例基本相同，图7为这种天线系统在高功率微波照射条件下的天线副反射面附近的大气击穿区域空间分布，采用优化算法优化对天线罩外形进行优化设计得到的罩体结构如图8所示,天线罩主体结构为刚性曲面壳体结构，外形接近椭球形，包括外层整罩蒙皮1、介质加强筋2以及包裹内层翻边蒙皮3，其中，外层整罩蒙皮为曲面壳体结构，由内层翻边蒙皮包裹的介质加强筋沿曲面球壳体呈八爪形均匀分布。
[0051]
如图9所示，将偏馈双反射面天线采用本方案设计的副反射面天线罩前后的增益方向图仿真结果进行对比，结果表明本方案设计的抑制高功率击穿副反射面天线罩插入损耗仅为0.3db，具有良好的透波特性。