双频段高功率微波矩形波导裂隙天线

本发明涉及高功率微波的一种辐射天线，尤其是一种工作在双频段的高功率微波矩形波导裂隙天线。

背景技术：

1、高功率微波(high-power-microwave，缩写为hpm)一般是指频率在300mhz到300ghz、峰值功率大于100mw或平均功率大于1mw的强电磁辐射。天线作为高功率微波系统的终端，是实现微波有效定向辐射的重要组件。随着高功率微波系统向跨波段可调谐方向发展，如何使用一套天线将其产生的不同波段的hpm辐射出去成为了研究人员迫切需要解决的难点问题。

2、矩形波导裂隙天线因具有结构简单、组阵方便等优点在高功率微波领域获得广泛应用。目前采用矩形波导裂隙天线实现双波段辐射的方法可以归纳为两种：一种是充分利用波导间的空隙，将不同波段的辐射波导交织排列。如2014年东南大学李腾等人设计的一种工作在ka波段的双频点(30ghz/35ghz)双极化波导缝隙阵列天线(参见李腾等在ieeeantennas&wireless propagation letters,2014年第1317-1320页发表的论文design andimplementation ofdual-frequency dual-polarization slotted waveguide antennaarray for ka-band application)，就是两个天线波导交错排列，均采用缝隙波导进行馈电，相互之间不会影响，在30ghz可实现24.8db的增益，在35ghz可实现25.4db的增益，但这种馈电方式功率容量不高，会影响整个系统的功率容量。

3、另一种是充分利用低频段波导口面未参与辐射的部分，将高频段辐射波导架设在低频段辐射波导上方。如华东电子工程研究所的陈明等人设计了一种工作在c/l波段的双波段天线(参见陈明等在ieee antennas and wireless propagation letters,2020年第99页发表的论文dual-band dual-polarized waveguide slot antenna array for sarapplications)，其设计思想是将开有纵缝的l波段辐射波导放置在底部，分别将开有v型缝隙的c波段辐射波导与开有纵缝的c波段辐射波导交错放在l波段辐射波导上方，l波段阵列可实现25.94db的增益，相对带宽11.36％，c波段两个极化分别可实现38.63db和38.64db增益，相对带宽5.1％，该天线通过同轴探针馈电，这种馈电方式的功率容量也不高，也不能直接应用到高功率微波领域；伊朗沙赫德大学的m.khorramizadeh等人设计了一种工作在x/ka双波段波导缝隙阵列天线(参见m.khorramizadeh等在iet microwaves antennas&propagation,2018,年第12页发表的论文dual band ridged tapered waveguide slotarray antenna with cross-polarization reduction)，两个波段均采用宽边纵缝的开缝方式，将ka波段天线架在辐射x波段的缝隙之间，但这种排布会使x波段的缝隙没有足够的偏置空间来改变耦合量，该天线能在x波段实现14dbi增益，在ka波段实现19dbi增益，该天线通过同轴接头馈电，其馈电结构也不能适应高功率的工作环境。

4、这两种方法本质是用不同频段的辐射天线进行组合来实现双频段辐射，但如果将上述两种方法直接应用于c/x双频段天线设计，由于频率跨度较大，由波导间距导致的栅瓣问题在高频段将更加突出，在苛刻的空间限制下难以完成组阵，由此导致了c/x频段波导裂隙阵列天线的设计难以实现。同时，现有双波段波导裂隙阵列天线采用的馈电方式均未考虑功率容量的要求，不能直接应用于hpm领域。随着跨波段可调谐hpm源研究的不断深入，对于多波段hpm天线馈电技术的研究却很匮乏，而且hpm系统在等离子体加热、高功率微波定向能武器、高功率雷达、高能粒子射频加速等领域都有广泛应用。此外，用一套天线将其产生的不同波段的hpm辐射出去，对于跨波段可调谐高功率微波系统的发展具有重要应用价值。因此如何提供一种可工作在c/x双频段、具有较高功率容量、可应用于hpm领域的波导裂隙阵列天线及其对应的馈电系统，成为了研究人员迫切需要解决的难点问题。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题是针对目前无法直接用单根波导实现c/x双频段微波辐射的问题，提供一种新型双频段高功率微波矩形波导裂隙天线，其结构紧凑，单根波导可分区辐射双频段微波，解决目前高功率微波天线在c/x双频段应用困难且功率容量有限等问题。

2、本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

3、本发明由n个电磁带隙、开缝脊波导组成。定义本发明靠近微波源的一端为输入端，远离微波源的一端为输出端；n个电磁带隙按从输入到输出的顺序周期分布在开缝脊波导的内部两侧；开缝脊波导开口的一端与微波源相连作为双频段高功率微波波导缝隙阵列天线的输入端口，另一端为封闭结构；电磁带隙通过螺钉与开缝脊波导连接固定。

4、开缝脊波导由矩形波导，金属脊，m根反射杆，2块隔离板，短路波导壁构成，均为金属材料制成。

5、矩形波导由矩形底板，2块矩形中板，矩形上板三部分组成。矩形底板，2块矩形中板，矩形上板共同围成矩形通道；为描述方便，沿输入到输出方向画矩形通道的中心轴线oo’，点o在输入端面上，点o’在短路波导壁上；在输入端面上穿过点o画纵向轴线aa’，aa’垂直于矩形底板，远离矩形底板的一端即a端为上端，靠近矩形底板的一端即a’端为下端；在输入端面上穿过点o画横向轴线bb’，横向轴线bb’垂直于纵向轴线aa’，b端为左端，b’端为右端。为了防止远场方向图中会出现栅瓣，矩形波导的宽度a1应小于自由空间波长。

6、矩形底板为长方体板，宽度等于a1，高度为b1，长度为l0。2块矩形中板的下表面沿中心轴线oo’方向，关于中心轴线oo’轴对称焊接在矩形底板上表面的左右两端；矩形中板是长方体板，宽度为a2，高度为b2，长度等于l0。矩形上板的下表面沿中心轴线oo’方向，平铺焊接在2块矩形中板的上表面；矩形上板为长方体板，宽度等于a1，高度为b3，长度等于l0。矩形底板，2块矩形中板，矩形上板共同围成矩形通道。矩形底板、2块矩形中板、矩形上板靠近沿轴线oo’的面为内表面；矩形通道的宽度为a4，高度等于b2，长度等于l0，a4＝a1-2*a2。在矩形上板上表面沿中心轴线oo’方向挖第一通槽，第一通槽的深度为c1，横向宽度为a3。矩形底板的宽度和矩形上板的宽度均与矩形波导宽度一致，均等于a1。矩形底板长度、矩形中板的长度、矩形底板的长度与矩形波导长度一致，均等于l0。

7、矩形上板沿aa’方向开有两种缝隙，x波段缝隙和c波段缝隙；x波段缝隙为胶囊型，共有k1个，宽度为w2，长度为l2，深度为c2，两端倒圆角，倒角半径为r4；x波段缝隙开在第一通槽的底部表面，分为两列，沿中心轴线oo’方向交错分布在oo’左右两边，相邻x波段缝隙的横向间距为q3，轴向间距为p3，离输入端面最近的x波段缝隙到输入端面的轴向间距为s3；c波段缝隙上部分为矩形，下部分为细胶囊形，共有k2个，分为两列，沿中心轴线oo’方向交错分布在oo’左右两边；c波段缝隙矩形部分的宽度为w3，长度为l3，深度等于c1，c波段缝隙矩形部分在远离oo’的侧壁两端倒圆角，倒角半径为r5，c波段缝隙细胶囊形部分的宽度为w4，长度为l4，深度等于c2，两端倒圆角，倒角半径等于r6；c波段缝隙位于第一通槽左右两个侧壁上，其中c波段缝隙细胶囊形部分与第一通槽侧壁的横向间距为w5；相邻c波段缝隙的横向间距为q4，轴向间距为p4，离输入端面最近的c波段缝隙到输入端面的轴向间距为s4。x波段缝隙和c波段缝隙分别用于辐射x波段微波和c波段微波。

8、金属脊为长方体板，宽度为a5，高度为b5，长度等于l0；沿中心轴线oo’方向平铺焊接在矩形底板的上表面中轴线上，连接位置倒圆角，顶部也倒圆角，倒角半径均为r2。金属脊的长度与矩形波导长度一致，均等于l0。金属脊的宽度a5以及金属脊的高度b5会影响x波段微波的传输，金属脊的宽度a5减小时x波段微波传输变差，金属脊的高度b5减小时x波段微波传输变差至截止。

9、反射杆为金属长方体杆，宽度为w1，长度为l1，高度等于b2；m根反射杆焊接在矩形底板的上表面，连接矩形底板和矩形上板，贴在矩形通道左右两个侧壁(即2块矩形中板的内表面)，分为两列沿中心轴线oo’方向交错分布，反射杆与矩形中板的内表面连接位置倒圆角，倒角半径为r3，反射杆远离矩形中板的一端倒圆角，倒角半径等于r3；相邻反射杆的横向间距为q2，轴向间距为p2，距离输入端面最近的反射杆到输入端面的轴向距离为s2；反射杆的高度等于矩形中板的高度。反射杆可以抵消c波段缝隙的等效电纳，从而使c波段缝隙处于谐振状态。

10、2块隔离板完全相同，隔离板是金属长方体板，2块隔离板沿中心轴线oo’方向对称分布在矩形上板上表面，并位于第一通槽两侧；矩形隔离板宽度为a6，高度为b6，长度等于l0。隔离板能够将x波段的壁电流和c波段缝隙隔开，从而避免c波段缝隙对x波段微波传输和辐射的干扰。

11、短路波导壁焊接在矩形通道远离微波源的一端，矩形通道远离微波源的一端封闭。短路波导壁为金属长方体，宽度等于a1，高度等于b4+b6，厚度为s0，短路波导壁的上表面沿中心轴线oo’方向挖有3个长方形通槽，分别为第二通槽和第三通槽，以及第四通槽；第二通槽和和第三通槽的宽度均为a7，深度均为b6，第二通槽和和第三通槽关于中心轴线oo’对称，位于短路波导壁上表面左右两端；第四通槽宽度等于a3，深度为c3，第四通槽的中轴线与中心轴线oo’在同一竖直平面上，即第四通槽的中轴线位于短路波导壁上表面中心位置。

12、电磁带隙为采用金属材料制备的圆柱，其直径为d，高度为h，顶部倒圆角，倒角半径等于r1；n个电磁带隙平均分为两列，每列的数目等于n/2，沿中心轴线oo’方向，对称分布于矩形通道左右两侧，用螺钉固定在矩形底板上表面，矩形通道左右两侧电磁带隙的数目相同，均有n/2个；两列电磁带隙的横向间距为q1，同列相邻电磁带隙的轴向间距为p1，距离输入端面最近的电磁带隙到输入端面的轴向间距等于s1。电磁带隙的功能是使x波段微波束缚在电磁带隙之间、金属脊的四周，使微波沿金属脊传播；同时使c波段微波不受电磁带隙的束缚、透过电磁带隙在整个脊波导中传输。电磁带隙的高度h减小时禁带范围向更低频率移动，两列电磁带隙之间的距离q1减小时x波段微波传输变差至截止，因此调整电磁带隙的高度h、两列电磁带隙之间的距离q1可实现禁带范围的改变。

13、为了叙述方便，这里统一介绍以上设计的结构参数所满足的条件：

14、1、矩形波导的宽度a1，高度b4需满足te10模在其中传输，一般满足λ0/2<a1<λ0，b4<λ0/2，λ0为自由空间中的波长。矩形底板的宽度与矩形上板的宽度相等，均等于矩形波导的宽度a1；矩形底板的高度b1、矩形中板的高度b2和矩形上板的高度b3之和应与矩形波导的参数b4一致，即满足b1+b2+b3＝b4；通常情况下，矩形底板的高度b1、矩形中板的高度b2和矩形上板的高度b3应相等，但由于矩形上板需要开缝隙，其高度略有减小，所以有b1＝b2>b3>0。矩形波导的长度l0应与反射杆的个数和位置相关，应满足l0＝m*p2+2*s2。

15、2、电磁带隙的高度h、矩形通道的宽度a4、矩形通道的高度b2、两列电磁带隙之间的距离q1、金属脊的宽度a5以及金属脊的高度b5，在设计时要能够使x波段微波束缚在两列电磁带隙之间，沿金属脊传播，同时使c波段微波不受电磁带隙影响，透过电磁带隙在整个矩形波导中传播。首先使用电磁仿真软件cst studio suit仿真得出h、a4、b2、q1、a5以及b5对禁带范围色散曲线的影响，即h减小时禁带范围向更低频率移动，a4减小时c波段微波传输变差，b2减小时禁带范围变宽，q1减小时x波段微波传输变差至截止，a5减小时x波段微波传输变差，b5减小时x波段微波传输变差至截止。而后依据x波段中心频率在禁带范围内且c波段中心频率在禁带范围外，且满足a2+a2+a4＝a1，且a1>a4>q1>a2>a5，b2>h>b5的条件下，使用电磁仿真软件cst studio suit仿真得出h、a4、b2、q1、a5以及b5的精确值；考虑到加工成本，电磁带隙的直径d以及同侧相邻电磁带隙的轴向间距p1不宜过小。一般d>2mm，p1>5mm。距离输入端面最近的电磁带隙到输入端面的轴向间距s1应为满足s1＝2*p1+1.5*d，根据同侧相邻电磁带隙1的轴向间距p1、距离输入端面最近的电磁带隙到输入端面的轴向间距s1可以得出电磁带隙的个数n，即n/2＝(l0-s1*2)/p1。

16、3、电磁带隙顶端的倒角半径r1，金属脊的倒角半径r2，反射杆的倒角半径r3，x波段缝隙半径r4，c波段缝隙矩形部分倒角半径r5，c波段缝隙细胶囊形部分的倒角半径r6都应满足微波无耗传输条件，以达到减小反射的目的，且r5>r2＝r3＝r4＝r6>r1。

17、4、x波段缝隙共有k1个，每个缝隙的归一化等效电导其中s1,1为在x波段缝隙处于谐振状态时，由电磁仿真软件cst studio suit仿真得出的x波段输入端口的反射系数；k1个x波段缝隙归一化谐振电导gx与x波段缝隙的长度l2的数学关系可以用电磁仿真软件cst studio suit仿真得出(x波段缝隙形状确定后，x波段缝隙的归一化谐振电导gx与得x波段缝隙的长度l2一定有一个唯一对应的数学关系)；k1个x波段缝隙归一化谐振电导gx与得相邻x波段缝隙的横向间距q3的数学关系可以用电磁仿真软件cst studiosuit仿真得出(x波段缝隙形状确定后，x波段缝隙的归一化谐振电导g与相邻x波段缝隙的横向间距q3一定有一个唯一对应的数学关系)；相邻x波段缝隙轴向间距p3应等于λgx/2，离输入端面最近的x波段缝隙到输入端面的轴向间距s3应等于λgx，λgx为x波段微波波导的工作波长；由于x波段微波束缚在两列电磁带隙之间，沿金属脊传播，x波段缝隙应位于电磁带隙内侧，即相邻x波段缝隙的横向间距q3应在金属脊的宽度a5与两列电磁带隙之间的距离q1之间，即满足q1>q3>a5。根据相邻x波段缝隙轴向间距p3、离输入端面最近的x波段缝隙到输入端面的轴向间距s3，可以得出电磁带隙的个数k1，即k1＝(l0-s3*2)/p3。

18、5、c波段缝隙共有k2个，每个缝隙的归一化等效电导其中s'1,1是在c波段缝隙处于谐振状态时，由电磁仿真软件cst studio suit仿真得出得出的c波段输入端口的反射系数；为了提高c波段缝隙的耦合量，将c波段缝隙设计为矩形部分和细胶囊部分，c波段缝隙矩形部分的宽度w3和长度l3的增加会促使c波段缝隙处于谐振状态，c波段缝隙矩形部分的长度l3应大于x波段缝隙的长度l2，即l3>l2；k2个c波段缝隙细胶囊形部分的归一化谐振电导gc与c波段缝隙缝隙细胶囊形部分的长度l4的数学关系可以用电磁仿真软件cst studio suit仿真得出(x波段缝隙形状确定后，c波段缝隙的归一化谐振电导gc与得x波段缝隙的长度l4一定有一个唯一对应的数学关系)，且l4<l3；k2个c波段缝隙归一化谐振电导gc与相邻c波段缝隙的横向间距q4的数学关系可以用电磁仿真软件cst studiosuit仿真得出(c波段缝隙形状确定后，c波段缝隙的归一化谐振电导gc与相邻c波段缝隙的横向间距q4一定有一个唯一对应的数学关系)；相邻c波段缝隙轴向间距p4应等于λgc/2，离输入端面最近的c波段缝隙到输入端面的轴向间距s4应等于λgc，λgc为c波段微波波导的工作波长；c波段缝隙缝隙细胶囊形部分的宽度w4与x波段缝隙的宽度w2一致，c波段缝隙细胶囊形部分的宽度w2要比c波段缝隙矩形部分的宽度w3小，即w4＝w2<w3；c波段缝隙细胶囊形部分与第一通槽侧壁的横向间距w5要尽量小，即满足w5<w4；c波段缝隙细胶囊形部分的深度与x波段缝隙的深度也一致，均为c2，则c波段缝隙矩形部分的深度c1应满足c1＝b3-c2；由于c波段微波可以透过电磁带隙在矩形波导上传播，c波段缝隙应位于电磁带隙外侧，即相邻c波段缝隙的横向间距q4应在两列电磁带隙之间的距离q1与矩形通道的宽度a4之间，即满足a4>q4>q1。根据相邻c波段缝隙轴向间距p4、离输入端面最近的c波段缝隙到输入端面的轴向间距s4，可以得出电磁带隙的个数k2，即k2＝(l0-s4*2)/p4。

19、6、反射杆共有m个，为了抵消c波段缝隙的等效电纳，使其处于谐振状态。反射杆应正对于c波段缝隙，与c波段缝隙的个数k2满足m＝k2+1；反射杆的高度越高抵消效果越好，但由于反射杆位于矩形通道内，即反射杆高度的高度不能超过矩形通道的高度，所以反射杆高度也等于b2；反射杆宽度w1和长度l1对抵消效果影响不大，反射杆的宽度w1应在c波段缝隙细胶囊形部分的宽度w4与c波段缝隙矩形部分宽度w3之间，即满足w3>w1>w4，且反射杆的长度l1与x波段缝隙的长度l2应满足l1<l2；相邻反射杆的轴向距离p2应等于λgc/2，λgc为c波段微波波导的工作波长，相邻反射杆的轴向距离p2等于相邻c波段缝隙轴向间距p4，即p2＝p4；距离输入端面最近的反射杆到输入端面的轴向间距s2应等于λgc/4；距离短路波导壁最近的反射杆到短路波导壁的轴向间距等于s2。

20、7、考虑到加工难度，短路波导壁的厚度s0不宜取太小，一般情况下s0>5mm。

21、8、第一通槽深度与c波段缝隙缝隙矩形部分的深度相等，均为c1；由于x波段缝隙开在第一通槽底部，第一通槽的宽度a3应在金属脊的宽度a5与相邻c波段缝隙的横向间距q4之间，即满足q4>a3>a5；开槽后矩形上板中间部分的高度c2，与c波段缝隙缝隙细胶囊形部分的深度以及x波段缝隙的深度一致，均为c2，c1、c2与矩形上板的高度b3应满足c1+c2＝b3；第二通槽和第三通槽的宽度均为a7，深度均为b6，且满足a7>a2，b6<b3；第四通槽的宽度与第一通槽的宽度相等，均为a3，第四通槽的深度c3应满足c3＝c1+b6。2块隔离板的宽度均为a6，与第一通槽的宽度a3以及隔离板到波导边的距离a7应满足a7+a6+a3+a6+a7＝a1。

22、通过电磁仿真软件cst studio suit，在满足m＝k2+1，l0＝m*p2+2*s2，n＝(l0-s1*2)/p1,a2+a2+a4＝a7+a6+a3+a6+a7＝a1，b1+b2+b3＝b4，c1+c2＝b3，p2＝p4＝λgc/2，p3＝λgx/2，,a1>a4>q4>q2>q1>a7>a2>a3>a6>a5>q3>d，b4>c3>b1＝b2>b3>b6>h>c1>b5>c2，λ0/2<a1<λ0，b4<λ0/2，r5>r2＝r3＝r4＝r6>r1，l3>l4>l2>l1,w3>w>w2＝w4>w5，d>2mm，p1>5mm,s0>5mm的条件下，设定天线辐射效率大于99％，可以获得参数m，n，k1，k2，l0，l1，l2，l3，l4，a1，a2，a3，a4，a5，a6，a7，b1，b2，b3，b4，b5，b6，p1，p2，p3，p4，q1，q2，q3，q4，r1，r2，r3，r4，r5，r6，w1，w2，w3，w4，w5的精确值。

23、本发明的工作过程为：开缝脊波导将高功率微波源输出的不同波段的、频率在禁带范围内的微波，束缚在n个电磁带隙与金属脊四周；金属脊使频率在禁带范围内的微波沿其传播；电磁带隙同时使频率在禁带范围外的微波不受束缚，透过电磁带隙传播。由于电磁带隙的高度h减小时禁带范围向更低频率移动，矩形通道的宽度a4减小时c波段微波传输变差，矩形通道的高度b2减小时禁带范围变宽，两列电磁带隙之间的距离q1减小时x波段微波传输变差至截止，金属脊的宽度a5减小时x波段微波传输变差，金属脊的高度b5减小时x波段微波传输变差至截止，因此通过改变电磁带隙的高度h、矩形通道的宽度a4、矩形通道的高度b2、两列电磁带隙之间的距离q1、金属脊的宽度a5以及金属脊的高度b5可以调整禁带范围。由于x波段缝隙在电磁带隙内侧，而c波段缝隙在电磁带隙的外侧，这就使x波段的壁电流和c波段缝隙隔离开来，从而避免c波段缝隙对x波段微波传输和辐射的干扰；对于c波段微波来说，x波段缝隙偏置很小、长度很短，所以x波段缝隙只辐射出很少的能量；如此可以实现c/x波段的传输、辐射不受另一波段缝隙的干扰。2块隔离板架设在x波段缝隙和c波段缝隙之间，把x波段缝隙与c波段缝隙隔离开，形成肩臂，同时构成扼流槽，在一定程度上也能降低c/x波段的相互影响。从而实现在单根波导中，x波段微波从x波段缝隙辐射出去，c波段微波从c波段缝隙辐射出去。

24、与现有技术相比，采用本发明可以达到以下技术效果：

25、1.本发明的电磁带隙使双频段高功率微波波导裂隙天线具有合适的禁带范围。

26、2.本发明的脊波导宽度小于一个波导波长，有效抑制了缝隙阵列栅瓣的产生。

27、3.本发明的c波段缝隙和x波段缝隙分别位于电磁带隙内外两侧，在c波段缝隙和x波段缝隙之间架设矩形隔离板，可以有效降低同一波导中不同波段缝隙间干扰，采用单根波导就可以实现c/x双波段辐射。

28、4.本发明的反射杆可以抵消c波段缝隙的等效电纳，从而使c波段缝隙处于谐振状态。

29、5.本发明均为金属结构，可以使双波段天线在c频段和x频段口径效率得以同时兼顾，同时攻克了限制天线功率容量的射频击穿难题，实现了高功率容量、高口径效率、高辐射效率的双波段天线。

30、6.本发明为单根波导，结构紧凑，易于模块化。