【技术实现步骤摘要】
本专利技术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。
技术介绍
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
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、本专利技术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、本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：
3、本专利技术由n个电磁带隙、开缝脊波导组成。定义本专利技术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，分为两列本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种双频段高功率微波矩形波导裂隙天线，其特征在于双频段高功率微波矩形波导裂隙天线由N个电磁带隙(1)、开缝脊波导(2)组成；定义靠近微波源的一端为双频段高功率微波矩形波导裂隙天线输入端，远离微波源的一端为双频段高功率微波矩形波导裂隙天线输出端；N个电磁带隙(1)按从输入到输出的顺序周期分布在开缝脊波导(2)的内部两侧；开缝脊波导(2)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；N个电磁带隙(1)通过螺钉与开缝脊波导(2)连接固定；N为正整数；
2.如权利要求1所述的一种双频段高功率微波矩形波导裂隙天线，其特征在于所述矩形波导(21)的宽度a1，高度b4要求满足TE10模在矩形波导(21)中传输，满足λ0/2<a1<λ0，b4<λ0/2，λ0为自由空间中的波长；矩形底板(211)的高度b1、矩形中板(212)的高度b2和矩形上板(213)的高度b3之和等于矩形波导(21)的高度b4，且矩形底板(211)的高度b1、矩形中板(212)的高度b2和矩形上板(213)的高度b3应相等，但由于矩形上板需要开缝隙，
3.如权利要求1所述的一种双频段高功率微波矩形波导裂隙天线，其特征在于所述电磁带隙(1)的高度h、矩形通道(214)的宽度a4、矩形通道(214)的高度即矩形中板(212)的高度b2、两列电磁带隙(1)之间的距离q1、金属脊(22)的宽度a5以及金属脊(22)的高度b5，要求满足使X波段微波束缚在两列电磁带隙(1)之间，沿金属脊(22)传播，同时使C波段微波不受电磁带隙(1)的影响，透过电磁带隙(1)在整个矩形波导(21)中传播；电磁带隙(1)的直径d>2mm，同侧相邻电磁带隙(1)的轴向间距p1>5mm。
4.如权利要求3所述的一种双频段高功率微波矩形波导裂隙天线，其特征在于所述电磁带隙(1)的高度h、矩形通道(214)的宽度a4、矩形通道(214)的高度即矩形中板(212)的高度b2、两列电磁带隙(1)之间的距离q1、金属脊(22)的宽度a5以及金属脊(22)的高度b5对禁带范围色散曲线的影响通过电磁仿真软件CST Studio Suit仿真得出，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；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，a1>a4>q1>a2>a5，b2>h>b5的条件，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；距离输入端面最近的电磁带隙到输入端面的轴向间距s1满足s1＝2*p1+1.5*d；所述电磁带隙(1)的个数N满足N/2＝(L0-s1*2)/p1。
5.如权利要求1所述的一种双频段高功率微波矩形波导裂隙天线，其特征在于所述电磁带隙(1)顶端的倒角半径r1，金属脊(22)的倒角半径r2，反射杆(23)的倒角半径r3，X波段缝隙(216)半径r4，C波段缝隙(217)矩形部分倒角半径r5，C波段缝隙(217)细胶囊形部分的倒角半径r6都要求满足微波无耗传输条件，且满足r5>r2＝r3＝r4＝r6>r1。
6.如权利要求1所述的一种双频段高功率微波矩形波导裂隙天线，其特征在于所述X波段缝隙(216)的归一化等效电导其中S1,1为在X波段缝隙(216)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(216)归一化谐振电导gx与X波段缝隙(216)的长度L2的数学关系用电磁仿真软件CSTStudio Suit仿真得出；K1个X波段缝隙(216)归一化谐振电导gx与得相邻X波段缝隙(216)的横向间距q3的数学关系用电磁仿真软件CST Studio Suit仿真得出；相邻X波段缝隙(216)轴向间距p3等于λgx/2，X波段缝隙(216)到输入端面的轴向间距s3等于λgx，λgx为X波段微波波导的工作波长；相邻X波段缝隙(216)的横向间距q3要求满足在金属脊(22)的宽度a5与两列电磁带隙(1)之间的距离q1之间，即满足q1>q3>a5；X波段缝隙(216)的个数K1＝(L0-s3*2)/p3。
7.如权利要求1所述的一种双频段高功率微波矩形波导裂隙天线，其...
【技术特征摘要】
1.一种双频段高功率微波矩形波导裂隙天线，其特征在于双频段高功率微波矩形波导裂隙天线由n个电磁带隙(1)、开缝脊波导(2)组成；定义靠近微波源的一端为双频段高功率微波矩形波导裂隙天线输入端，远离微波源的一端为双频段高功率微波矩形波导裂隙天线输出端；n个电磁带隙(1)按从输入到输出的顺序周期分布在开缝脊波导(2)的内部两侧；开缝脊波导(2)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；n个电磁带隙(1)通过螺钉与开缝脊波导(2)连接固定；n为正整数；
2.如权利要求1所述的一种双频段高功率微波矩形波导裂隙天线，其特征在于所述矩形波导(21)的宽度a1，高度b4要求满足te10模在矩形波导(21)中传输，满足λ0/2<a1<λ0，b4<λ0/2，λ0为自由空间中的波长；矩形底板(211)的高度b1、矩形中板(212)的高度b2和矩形上板(213)的高度b3之和等于矩形波导(21)的高度b4，且矩形底板(211)的高度b1、矩形中板(212)的高度b2和矩形上板(213)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，即满足b1+b2+b3＝b4且b1＝b2>b3>0；矩形波导(21)的长度l0满足l0＝m*p2+2*s2。
3.如权利要求1所述的一种双频段高功率微波矩形波导裂隙天线，其特征在于所述电磁带隙(1)的高度h、矩形通道(214)的宽度a4、矩形通道(214)的高度即矩形中板(212)的高度b2、两列电磁带隙(1)之间的距离q1、金属脊(22)的宽度a5以及金属脊(22)的高度b5，要求满足使x波段微波束缚在两列电磁带隙(1)之间，沿金属脊(22)传播，同时使c波段微波不受电磁带隙(1)的影响，透过电磁带隙(1)在整个矩形波导(21)中传播；电磁带隙(1)的直径d>2mm，同侧相邻电磁带隙(1)的轴向间距p1>5mm。
4.如权利要求3所述的一种双频段高功率微波矩形波导裂隙天线，其特征在于所述电磁带隙(1)的高度h、矩形通道(214)的宽度a4、矩形通道(214)的高度即矩形中板(212)的高度b2、两列电磁带隙(1)之间的距离q1、金属脊(22)的宽度a5以及金属脊(22)的高度b5对禁带范围色散曲线的影响通过电磁仿真软件cst studio suit仿真得出，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；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，a1>a4>q1>a2>a5，b2>h>b5的条件，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；距离输入端面最近的电磁带隙到输入端面的轴向间距s1满足s1＝2*p1+1.5*d；所述电磁带隙(1)的个数n满足n/2＝(l0-s1*2)/p1。
5.如权利要求1所述的一种双频段高功率微波矩形波导裂隙天线，其特征在于所述电磁带隙(1)顶端的倒角半径r1，金属脊(22)的倒角半径r2，反射杆(23)的倒角半径r3，x波段缝隙(216)半径r4，c波段缝隙(217)矩形部分倒角半径r5，c波段缝隙(217)细胶囊形部分的倒角半径r6都要求满足微波无耗传输条件，且满足r5>r2＝r3＝r4＝r6>r1。
6.如权利要求1所述的一种双频段高功率微波矩形波导裂隙天线，其特征在于所述x波段缝隙(216)的归一化等效电导其中s1,1为在x波段缝隙(216)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(216)归一化谐振电导gx与x波段缝隙(216)的长度l2的数学关系用电磁仿真软件cststudio suit仿真得出；k1个x波段缝隙(216)归一化谐振电导gx与得相邻x波段缝隙(216)的横向间距q3的数学关系用电磁仿真软件cst studio suit仿真得出；相邻x波段缝隙(216)轴向间距p3等于λgx/2，x波段缝隙(216)到输入端面的轴向间距s3等于λgx，λgx为x波段微波波导的工作波长；相邻x波段缝隙(216)的横向间距q3要求满足在金属脊(22)的宽度a5与两列电磁带隙(1)之间的距离q1之间，即满足q1>q3>a5；x波段缝隙(216)的个数k1＝(l0-s3*2)/p3。
7.如权利要求1所述的一种双频段高功率微波矩形波导裂隙天线，其特征在于所述c波段缝隙(217)的归一化等效电导其中s'1,1为在c波段缝隙(217)处...
【专利技术属性】
技术研发人员：孙云飞，靳璐璐，袁成卫，张强，程啸宇，张晓萍，巨金川，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科技大学，
类型：发明
国别省市：
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