高功率近場卡塞格倫天線的設計

引 言
    高功率微波(High Power Microwave，HPM)或稱高能微波，一般指峰值功率在1 00 mW以上，工作頻率在1～30 GHz(相應波長為300～10 mm)的電磁波。研究表明，當微波功率密度達O．01～1μW，／cm2時，可使工作在相應頻段上的雷達和通訊設備受到干擾，不能正常工作；當功率密度達 O．01～1 W／cm2時，可使雷達、通信、導航等設備的微波器件性能降低或失效；當功率密度達10～100 W／cm2時，可使工作在任何波段的電子元器件失效，導致武器設備喪失功能，造成機毀人亡的后果。因此，對高功率近場卡塞格倫天線系統(tǒng)的研究是很有必要的。
    在高功率微波武器系統(tǒng)中，天線的主要作用就是把輻射的高功率微波電磁能量聚集成極窄的波束，使微波能量高度集中，從而以極高的能量強度發(fā)射出去照射目標，破壞武器系統(tǒng)和損傷作戰(zhàn)人員。目前，國內(nèi)外通常選擇雙反射面天線作為該系統(tǒng)的基本形式。高功率微波天線與常規(guī)天線最主要的區(qū)別在于其功率容量。為了避免出現(xiàn)打火現(xiàn)象，將排除環(huán)焦天線和格里高利天線，原因在于其固有結構會因二次聚焦而出現(xiàn)嚴重的空氣擊穿，故選擇近場卡塞格倫天線形式。
    在實際工程設計中，受工作平臺尺寸的限制，為了獲得好的性能指標需要平衡兩個矛盾：
    (1)高功率與高指標之問的矛盾，即高功率要求饋源口徑尺寸很大，就意味著副面的尺寸不能太小，否則會有漏射，故而會降低主面的有效面積；
    (2)有限空間與高指標之間的矛盾，天線的主面尺寸和副面尺寸不能同時滿足副面繞射損失足夠小和副面電平足夠低的要求，因此主瓣增益會有損失。
    本文系統(tǒng)地給出了高功率近場卡塞格倫天線的設計。利用內(nèi)壁光滑的指數(shù)型多模喇叭滿足高功率微波天線對饋源高功率容量和良好輻射特性的要求。內(nèi)壁光滑的指數(shù)型多模喇叭加載介質透鏡可以實現(xiàn)對近場卡塞格倫天線副面的平面波照射。最后，在平衡兩個矛盾的基礎上通過優(yōu)化設計獲得了X頻段的高功率近場卡塞格倫天線結構尺寸，其理論功率容量大于600 mW。實測結果與仿真結果吻合良好，證明該設計方案的可行性。

1 近場卡式天線模型的分析
    如圖1所示，近場卡塞格倫天線是卡塞格倫天線的一種特例，它用拋物面作為副面，用平面波照射副面，構成這種天線的主面和副面共焦于O點。多模喇叭加載介質透鏡作為饋源，該饋源能夠輻射出平面波。該饋源有如下優(yōu)點：
    (1)軸向輻射，方向性好；
    (2)結構簡單，功率容量高；
    (3)利用平面波照射，副面的漏射??；
    (4)便于密封，喇叭口徑上的介質透鏡同時可以作為密封罩。

1．1 指數(shù)型多模喇叭
    多模喇叭的物理機制可表述如下：通常由于主模為TE11模的喇叭，其E面方向圖比H面方向圖窄，不能形成旋轉軸對稱的輻射方向圖，其峰值交叉極化電平也必然高。TE1n模對H面和E面的方向圖都有貢獻，而TM1n模上對E面方向圖有貢獻，對H面方向圖沒有貢獻。如果在主模饋源中引入產(chǎn)生高次模TM11及其他高次模的裝置，而且合適地配置高次模與主模的相對相位，充分利用TM1n模只對E面方向圖有貢獻，而對H面方向圖沒有貢獻這一特性，就可獲得旋轉軸對稱的方向圖，實現(xiàn)等化波束的目的。
    內(nèi)壁光滑的指數(shù)型曲線喇叭工作的基本機制是：隨著喇叭曲線曲率的不斷變化會不斷激勵出高次模，這樣就可以通過曲線對波束進行賦形，最終使喇叭輻射的方向圖具有旋轉軸對稱性。
    指數(shù)型多模喇叭的結構如圖2所示。其主要參數(shù)有：輸入端圓波導的直徑d1、指數(shù)型喇叭口面直徑d2、輸入端圓波導的長度L1和喇叭指數(shù)線部分的長度L2。其中，指數(shù)曲線滿足下面的指數(shù)方程：

  
    指數(shù)型多模喇叭設計的原則是改變指數(shù)方程參數(shù)對波束進行賦形，最終使喇叭輻射的方向圖具有旋轉軸對稱性。如果令a=1和c=0，那么指數(shù)方程的可調(diào)參量就剩下k和q。利用電磁仿真軟件可以完成對指數(shù)型多模喇叭進行仿真優(yōu)化，確定指數(shù)方程中的k和q，得到滿足要求的指數(shù)型多模喇叭。

1．2 雙曲型介質透鏡
    介質透鏡喇叭天線是一種傳統(tǒng)的微波天線，獲得了廣泛的應用?？紤]到工程上的可實現(xiàn)性以及功率容量問題。設計緊湊型高功率饋源，首選介質透鏡。介質透鏡的折射率都大于1，是根據(jù)幾何光學的兩個基本原理設計的：
    費馬原理：光或電磁波沿著光程為極值的路程傳播；
    斯奈爾定律：光或電磁波通過兩種不同介質邊界面時的折射率定律為：

  
式中：θi為入射角；θt為折射角；n為第二種介質相對于第一種介質的折射率。
    圖3所示為雙曲型介質透鏡示意圖，它是一種單面透鏡，即只有一個面使微波射線發(fā)生折射，其第一個面(照明面)為旋轉雙曲面，第二個面為平面。其中，旋轉拋物面方程為：

    對于要加載在喇叭口徑上的介質透鏡，若喇叭的半張角為θ0，喇叭口徑為D，則由幾何關系可以求得喇叭透鏡焦點到透鏡第二個面(平面)的距離為：

  
    通過式(3)和式(4)進一步可求得透鏡雙曲面的頂點到焦點的距離(即焦距f)和透鏡厚度d。
    對于透鏡的設計原則：首先找出喇叭的相位中心，確定F的值；進而根據(jù)D值，確定θ0的值；最后根據(jù)需要選擇透鏡的材料，并確定f值。
1．3 功率容量的分析
    通過計算可以求得對應輸入功率為1 W時介質透鏡外表面的最大電場Emax。由于功率與電場的幅值平方成正比，當饋源輸入的最大功率為Pimax時，可以得到介質透鏡外表面的電場為：

   
    一般認為空氣中連續(xù)波電場擊穿閾值為30 kV／cm，因此在饋源輸出功率滿足式(5)的情況下，口徑上不會發(fā)生空氣擊穿現(xiàn)象。事實上，目前的高功率微波多為幾十納秒的短脈沖微波，在短脈沖情況下大氣的擊穿閾值要大于30 kV／cm，因此從介質透鏡表面的空氣擊穿角度考慮，該饋源的功率容量大于Pimax。
1．4 近場卡式天線的主、副面
    圖4為近場卡塞格倫天線結構示意圖。

    (4)主、副面半張角為：

2 設計及實驗結果
    根據(jù)指標要求，利用電磁仿真軟件優(yōu)化設計并加工了一個X頻段的近場卡塞格倫天線，對其電性能進行實際測量，比較了饋源的仿真結果和測量結果。其中，該天線系統(tǒng)的各個部分尺寸如下：
    指數(shù)型多模喇叭尺寸：d1=0．05 m，d2=0．266 m，L1=0．013 m，L2=0．507 m；指數(shù)方程參量：a=1，c=0，k=0．333，g=3。
    雙曲型介質透鏡尺寸：F=0．5 m，f=0．465 m，n=1．5，θ0=14．9°，介質透鏡的材料選用聚乙烯。
    近場卡式天線主、副面尺寸：Dm=2．2 m，Vs=0．332 m，F(xiàn)=0．836 m，f=0．126 m，θ=66．58°。
    如圖5所示是近場卡塞格倫天線實物。該天線在微波暗室進行測量。由圖6可以看出，介質透鏡外表面的最大電場小于110 V／m，當輸入功率為600 mW時，滿足式(5)，因此該饋源的功率容量大于600 mW。

    圖7和圖8分別示出加載介質透鏡的指數(shù)型多模喇叭E面和H面的仿真結果和測量結果。通過對比可以看出，實測結果與仿真結果吻合良好，說明饋源設計符合要求。

    圖9和圖10分別給出設計的近場卡塞格倫天線水平面(E面)方向圖和俯仰面(H面)方向圖的測量結果。測量結果表明，設計的天線電性能完全滿足指標要求。這也說明指數(shù)型喇叭是一種高效率饋源，而且具有高功率容量和軸對稱的方向圖，適合用來作為高功率近場卡塞格倫天線的饋源。

3 結 語
    系統(tǒng)地給出了高功率近場卡塞格倫天線的設計方案。針對高功率微波天線對饋源高功率容量和良好輻射特性的要求，選擇用內(nèi)壁光滑的指數(shù)型多模喇叭。對多模喇叭口面加載介質透鏡，以滿足對天線副面進行平面波照射。通過優(yōu)化設計，最終獲得了功率容量大于600 mW的X頻段高功率近場卡塞格倫天線，且實測結果與仿真結果吻合良好。由此證明該設計方案的可行性。