高功率微波一维波束可扫直线阵列天线的制作方法

本发明涉及高功率微波技术领域的天线，尤其是一种具有一维波束扫描能力的高功率微波天线。

背景技术：

随着脉冲功率技术和等离子体学科的发展，高功率微波源获得了更高频率，更长脉冲，更高峰值功率，以及更高重复频率的微波脉冲，这为进一步推广高功率微波技术的应用奠定了基础。高功率微波天线是高功率微波系统的终端，其性能很大程度上决定了高功率微波系统的辐照能力。在一些高功率微波系统的实际应用中，要求天线辐射的微波波束能持续辐照到运动目标上，这就对波束可扫的高功率微波天线的研究提出了需求。对于直线阵列天线而言，其波束指向与工作频率和波导传播常数有关。现有的电真空高功率微波源的工作机制是束波换能，其输出频率带宽较窄且频率难以控制，这使得传统的基于频率可调的波束扫描方式难以实现。杨一明博士提出了一种通过调整矩形波导宽边尺寸的高功率微波波束扫描的缝隙天线阵(abeamsteeringantennaforx-bandhighpowerapplications)，实现了约30°范围的一维波束扫描；但是对于尺寸较大(如矩形波导长度大于2m)的直线阵列天线，在工程上要实现对矩形波导宽边尺寸的整体均匀调整，困难较大；且在波束扫描过程中，天线辐射效率从95％以上下降到约80％，造成较大的能量浪费。因此，针对上述问题，发明一种具有更宽波束扫描范围，波束扫描的调整方式在工程上更容易实现的，且具有更高辐射效率的高功率微波波束扫描天线具有重要的应用价值。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是克服现有的直线阵列波束扫描范围较窄，解决波束扫描过程中辐射效率的下降，波束扫描范围小的问题，且在工程上可通过步进电机来控制实现波束扫描。

本发明的技术方案是：

本发明是全金属结构，由两部分构成，第一部分是矩形波导，第二部分是辐射单元构成的一维直线阵列。微波由矩形波导的注入端注入，矩形波导的输出端外接匹配负载。一维直线阵列由m(一般而言：20<m<500)个辐射单元构成，相邻辐射单元间距为d(0.5λ<d<λ，其中λ为微波在自由空间的波长)，沿x轴方向安装在矩形波导窄边上。辐射单元构成的一维直线阵列按矩形波导的注入端向输出端的方向依次为第一辐射单元，第二辐射单元，第三辐射单元…第m辐射单元…第m辐射单元，其中1<m<m。

矩形波导的矩形截面的内尺寸宽边长度为a2，窄边长度为b2，矩形波导的四个侧面(即除注入端、输出端所在的面的另外四个面)金属壁厚均为t。矩形波导的第一侧面中央挖有m个圆形通孔，圆形通孔按矩形波导的注入端向输出端的方向依次为矩形波导第一侧面的第一圆形通孔，矩形波导第一侧面的第二圆形通孔，矩形波导第一侧面的第三圆形通孔…矩形波导第一侧面的第m圆形通孔…矩形波导第一侧面的第m圆形通孔。矩形波导第一侧面的第一圆形通孔到第m圆形通孔的半径均为r1(r1<b2/2)，矩形波导第一侧面的第一圆形通孔的圆心与注入端的距离为s0(s0>d/2)，矩形波导第一侧面的第m圆形通孔的圆心与注入端的距离为s0+(m-1)d，矩形波导第一侧面相邻的圆形通孔的圆心之间的距离为d。与矩形波导的第一侧面相对的矩形波导第二侧面中央挖有2m个圆形通孔，圆形通孔按矩形波导的注入端向输出端的方向依次为矩形波导第二侧面的第一圆形通孔，矩形波导第二侧面的第二圆形通孔，矩形波导第二侧面的第三圆形通孔，矩形波导第二侧面的第四圆形通孔…矩形波导第二侧面的第2m-1圆形通孔，矩形波导第二侧面的第2m圆形通孔，…矩形波导第二侧面第2m-1圆形通孔，矩形波导第二侧面第2m圆形通孔。矩形波导第二侧面的第1，3…2m-1…2m-1圆形通孔的半径均为r2，矩形波导第二侧面的第一圆形通孔的圆心与注入端的距离为s0，矩形波导第二侧面的第2m-1圆形通孔的圆心与注入端的距离为s0+(m-1)d；矩形波导第二侧面的第2m圆形通孔的半径为rm，矩形波导第二侧面的第二圆形通孔的圆心与注入端的距离为s1，矩形波导第二侧面的第2m圆形通孔的圆心与注入端的距离为sm，满足sm-s0-(m-1)d≈λ0/4，其中λ0为微波在矩形波导内传输的波导波长。

本发明的第一辐射单元，第二辐射单元，第三辐射单元…第m辐射单元…第m辐射单元的组成成分相同(均包含反射消除杆，螺旋线内导体和耦合腔三部分)。以第m辐射单元为例，第m辐射单元由第m反射消除杆，第m螺旋线内导体和第m耦合腔三部分组成。第m反射消除杆通过矩形波导第二侧面的第2m圆形通孔完全插入矩形波导内，顶端与矩形波导第一侧面内壁接触；第m耦合腔一端由矩形波导第一侧面的第m圆形通孔插入矩形波导以固定在矩形波导上；第m螺旋线内导体经过第m耦合腔插入矩形波导内，由矩形波导第二侧面的第2m-1圆形通孔穿过矩形波导，外接步进电机，穿出矩形波导的长度为h，h尺寸由外接的步进电机的尺寸确定，要求穿出部分与步进电机之间能够实现有效连接配合。

第m反射消除杆的形状为圆柱体，半径等于rm。第m反射消除杆通过矩形波导第二侧面的第2m圆形通孔插入矩形波导内，一端顶在矩形波导第一侧面内壁，另一端嵌在矩形波导第二侧面的第2m圆形通孔内，第1反射消除杆到第m反射消除杆的长度均为a2+t。

第一螺旋线内导体到第m螺旋线内导体的结构完全相同。第m螺旋线内导体由一段直圆柱体，一段与直圆柱体垂直的半圆环和一段螺旋线构成，直圆柱体是一根金属棒，直径为2r2，直圆柱体的长度为l1(l1长度约为两倍矩形波导宽边a2长度，直圆柱体的一端从矩形波导第二侧面的第2m-1圆形通孔穿过矩形波导，外接步进电机。半圆环和螺旋线的总高度为l2；半圆环的圆环直径为l3/2，螺旋线2m23为等螺旋半径等螺距的一段螺旋线，螺旋线的螺旋外直径为l3。半圆环的初始段切线与x轴的夹角定义为螺旋线内导体的空间方位角，用αm表示，αm代表第m螺旋线内导体的空间方位，在直线阵列中，相邻两个螺旋线内导体的空间方位角度差为一个常量p，即αm-αm-1＝p，其中1<m≤m。

第m耦合腔的外形一端为圆柱凸台另一端为长方体，圆柱凸台的外半径为r1，凸台的高度为h1。第m耦合腔的内部挖有四个不同形状的孔，从圆柱凸台向长方体的方向依次为第一孔，第二孔，第三孔，第四孔，四个孔连通在一起构成微波传输的通道。第一孔由内孔和外孔构成，两个孔的高度均为h1，内孔截面形状为半径为r2的圆形，第m螺旋线内导体即通过该孔插入波导内，外孔近似半环形，内半径为r3，外半径为r4，外孔的圆心角为外孔的对称轴与x轴的夹角定义为耦合腔的旋转角，用θm表示。第二孔的高度为h2-h1，第二孔的轮廓由两段弧线构成，尺寸较大的圆弧线的半径为r4，对应的圆心角为尺寸较小弧线的半径为r5，对应的圆心角为第二孔的对称轴与x轴的夹角也为θm，第一耦合腔到第m耦合腔结构的尺寸除了耦合腔的旋转角θm不同外，其它结构尺寸均相同。第三孔的高度h3-h2，截面形状为圆形，圆形半径为r5。第四孔的高度h4-h3，截面形状为圆形，圆形半径为r6。

上述结构参数所满足的条件和设计步骤如下：

1)确定波导基本参数。矩形波导的尺寸a2和b2根据实际应用需要设计。为了满足te10模在其中传输，一般满足λ/2<a2<λ，b2<λ/2，λ为微波在自由空间中的波长；壁厚t根据强度和保证功率容量的需要，一般取t≥2mm。

2)耦合腔的第一孔的外孔尺寸在空间许可的范围内，为保证一定的功率容量要求，一般要求：r4-r3>1.50mm，同时要求r3>3.00mm，高度h1，h2和圆心角的确定方法是：在保证功率容量的前提下，其取值由电磁仿真软件(如cstmicrowavestudio)仿真得到，优化的目标是尺寸参数能使耦合腔的第一孔工作在谐振状态，等效电导随频率变化的曲线在中心频点获得极大值。

3)确定第m耦合腔的旋转角θm。本发明的耦合电场强度由θm确定，外孔的等效电导gm随着θm(0<θm<90°)的增加而增大。直线阵列中第m个辐射单元的理论归一化等效电导与口径分布有关，gm理论计算公式为

其中，q＝e^-2αed，αe为波导衰减常数，d为相邻辐射单元之间的间距，em为第m个辐射单元的电场强度，由口径电场分布确定。η为天线辐射效率，一般取1>η>0.95。通过电磁仿真软件计算提取得到耦合电导gm随耦合腔旋的转角θm的参数后，对比公式(一)，利用插值法即可得到θm。

4)确定耦合腔和螺旋线内导体结构参数。辐射单元间距d决定了波束扫描范围，在空间允许的情况下，尽量缩小d可以增大波束扫描范围，d满足

其中ρ0为波束偏离天线辐射口面法向的最大角。螺旋线内导体半径与矩形波导第二侧面的第1，3…2m-1…2m-1圆形通孔的半径相等，均为r2，要求0<r2<r3-1。圆形凸台高度h1等于波导壁厚t。耦合腔和螺旋线内导体的其它结构参数，包括h3，h4，l1，l2，l3，r6和r5可由电磁仿真软件(如cstmicrowavestudio)优化得到。优化的目标是辐射单元的反射在工作频点接近0，轴比(辐射电场在与微波传输方向垂直的平面上两个正交方向上的电场比值)在螺旋线的轴向上接近1，这就保证了螺旋线内导体和耦合腔构成的辐射单元工作在轴向模式状态。另外要求h4-h1≈0.75λ。

5)反射消除杆的尺寸确定。第m个反射消除杆的半径等于rm，满足反射消除杆在矩形波导内引起的反射与第m个耦合腔和第m个螺旋线内导体引起的反射幅度相等，具体数值可由电磁仿真软件(如cstmicrowavestudio)仿真计算比较得到。第m个反射消除杆的位置sm满足第m反射消除杆引起的反射波相位和第m个耦合腔和第m个螺旋线内导体引起的反射相位相差180度，这就使得反射消除杆，耦合腔和螺旋线内导体引起的反射相互抵消，尺寸具体数值同理可由电磁仿真软件(如cstmicrowavestudio)仿真计算比较得到。

6)螺旋线内导体外接步进电机，m个辐射单元构成的直线阵列共需要m个步进电机，第m个步进电机控制第m螺旋线内导体绕其直圆柱体的轴线(即是螺旋线的轴线)旋转。定义直线阵列天线的辐射主波束的方向与口面法向(即图1中的z轴)的夹角为ρ，直线阵列天线沿x轴方向相邻螺旋线内导体旋转后的空间方位角度αm差p由波束方向ρ决定，p与ρ的关系如下

其中k为自由空间波数，β为矩形波导波导传播常数，其计算式为

本发明的工作过程为：高功率微波从矩形波导的注入端11馈入到矩形波导内，沿x轴方向传输，由于耦合腔第一孔的外孔切断矩形波导第一侧面13上的电流，使得能量从矩形波导耦合到耦合腔，从而通过螺旋线内导体和耦合腔构成的辐射单元向自由空间辐射。矩形波导内的传输反射可通过反射消除杆抵消。微波经过辐射单元构成的一维直线阵辐射后，少部分剩余的能量被外接的匹配负载吸收，整个天线工作在行波状态。螺旋线内导体工作在轴向模状态，辐射圆极化波，圆极化波的辐射相位与螺旋线内导体的空间方位角度αm有关。通过外接的步进电机控制螺旋线内导体旋转来调节直线阵列天线螺旋线内导体的空间方位角度αm，即调节直线阵列天线各个辐射单元沿x轴的相位分布，从而实现波束扫描的功能。

与现有技术相比，采用本发明可以达到以下技术效果：

1、本发明高功率微波波束扫描直线阵采用全金属结构，具有一定的功率容量，由于各个辐射单元的相位可通过步进电机调整，实现了波束扫描的功能，螺旋线内导体由电机控制旋转，工程上容易实现。

2、波束扫描范围由相邻单元的间距d决定，根据公式(1)可知，当d＝0.63λ时，波束扫描范围即可达到70度，与背景技术所述的宽边可调波束扫描阵列相比，波束扫描范围得到了很大地拓展。

3、在波束扫描的过程中，由于螺旋线内导体的旋转不影响耦合腔从矩形波导耦合能量的效率，当波束偏离直线阵列天线口面法向时，辐射效率保持稳定，在整个波束扫描范围内，辐射效率均能保持在理论设计的数值，一般为95％以上。

附图说明

图1为本发明整体结构断裂示图；

图2为本发明所述矩形波导1的结构示意图。图2(a)是矩形波导1的左视图，图2(b)是矩形波导1的俯视图，图2(c)是矩形波导1的仰视图；

图3为本发明第m辐射单元结构示意图；

图4为本发明第m螺旋线内导体结构示意图，图4(a)是第m螺旋线内导体的正视图，图4(b)是第m螺旋线内导体的俯视图；

图5为本发明第m耦合腔结构示意图，图5(a)是第m耦合腔立体图，图5(b)是第m耦合腔沿图5(a)中的nn'轴的剖面视图，图5(c)是第m耦合腔沿图5(b)中bb'截面视图，图5(d)是第m耦合腔沿图5(b)中aa'截面视图；

图6为本发明一种具体实施方式的波束扫描仿真结果示意图；

图7为本发明一种具体实施方式的反射参数曲线结果示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式做进一步描述。以下实施例仅用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

如图1所示，本发明是全金属结构，由两部分构成，第一部分是矩形波导1，第二部分是辐射单元构成的一维直线阵列2。微波由矩形波导的注入端11注入，矩形波导的输出端12外接匹配负载。一维直线阵列2由m(一般而言：20<m<500)个辐射单元构成，相邻辐射单元间距为d(0.5λ<d<λ，其中λ为微波在自由空间的波长)，沿x轴方向安装在矩形波导窄边上。辐射单元按矩形波导的注入端11向输出端12的方向依次为第一辐射单元21，第二辐射单元22，第三辐射单元23…第m辐射单元2m…第m辐射单元2m，其中1<m<m。

如图2所示，矩形波导1的矩形截面的内尺寸宽边长度为a2，窄边长度为b2，矩形波导的四个侧面(即除注入端11、输出端12所在的面的另外四个面)壁厚均为t。矩形波导的第一侧面13中央挖有m个圆形通孔，圆形通孔按矩形波导的注入端11向输出端12的方向依次为矩形波导第一侧面的第一圆形通孔131，矩形波导第一侧面的第二圆形通孔132，矩形波导第一侧面的第三圆形通孔133…矩形波导第一侧面的第m圆形通孔13m…矩形波导第一侧面的第m圆形通孔13m。矩形波导第一侧面的第一圆形通孔131到第m圆形通孔13m的半径均为r1(r1<b2/2)，矩形波导第一侧面的第一圆形通孔131的圆心与注入端11的距离为s0(s0>d/2)，矩形波导第一侧面的第m圆形通孔13m的圆心与注入端11的距离为s0+(m-1)d，相邻的第一圆形通孔圆心间距为d。与矩形波导的第一侧面13相对的矩形波导第二侧面14中央挖有2m个圆形通孔，圆形通孔按矩形波导的注入端11向输出端12的方向依次为矩形波导第二侧面的第一圆形通孔1411，矩形波导第二侧面的第二圆形通孔1421，矩形波导第二侧面的第三圆形通孔1412，矩形波导第二侧面的第四圆形通孔1422…矩形波导第二侧面的第2m-1圆形通孔141m，矩形波导第二侧面的第2m圆形通孔142m，…矩形波导第二侧面第2m-1圆形通孔141m，矩形波导第二侧面第2m圆形通孔142m。矩形波导第二侧面的第1，3…2m-1…2m-1圆形通孔的半径均为r2，矩形波导第二侧面的第一圆形通孔的圆心与注入端11的距离为s0，矩形波导第二侧面的第2m-1圆形通孔的圆心与注入端11的距离为s0+(m-1)d；矩形波导第二侧面的第2m圆形通孔的半径为rm，矩形波导第二侧面的第二圆形通孔的圆心与注入端11的距离为s1，矩形波导第二侧面的第2m圆形通孔的圆心与注入端11的距离为sm，满足sm-s0-(m-1)d≈λ0/4，其中λ0为微波在矩形波导1内传输的波导波长。

本发明的第一辐射单元21，第二辐射单元22，第三辐射单元23…第m辐射单元2m…第m辐射单元2m的结构相同(均包含反射消除杆，螺旋线内导体和耦合腔三部分)。如图3所示，以第m辐射单元2m为例，第m辐射单元2m由第m反射消除杆2m1，第m螺旋线内导体2m2和第m耦合腔2m3三部分组成。第m反射消除杆2m1通过矩形波导第二侧面的第2m圆形通孔142m完全插入矩形波导1内，顶端与矩形波导第一侧面13内壁接触；第m耦合腔2m3一端由矩形波导第一侧面的第m圆形通孔13m插入矩形波导1以固定在矩形波导1上；第m螺旋线内导体2m2经过第m耦合腔插入矩形波导1内，由矩形波导第二侧面的第2m-1圆形通孔141m穿过矩形波导1，外接步进电机，穿出矩形波导1的长度为h。

第m反射消除杆2m1的形状为圆柱体，半径等于rm。第m反射消除杆2m1通过矩形波导第二侧面的第2m圆形通孔142m插入矩形波导1内，一端顶在矩形波导第一侧面13内壁，另一端嵌在矩形波导第二侧面的第2m圆形通孔142m内，第一反射消除杆211到第m反射消除杆2m1的长度均为a2+t。

第一螺旋线内导体212，第二螺旋线内导体222，…，第m螺旋线内导体2m2，…，第m螺旋线内导体2m2的结构完全相同。如图4所示，第m螺旋线内导体2m2由一段直圆柱体2m21，一段与直圆柱体2m21垂直的半圆环2m22和一段螺旋线2m23构成，直圆柱体2m21是一根金属棒，直径为2r2，直圆柱体2m21的长度为l1(l1长度约为两倍矩形波导宽边a2长度，直圆柱体2m21的一端从矩形波导第二侧面的第2m-1圆形通孔141m穿过矩形波导1，外接步进电机。半圆环2m22和螺旋线2m23的总高度为l2；半圆环2m22的圆环直径为l3/2，螺旋线2m23为等螺旋半径等螺距的一段螺旋线，螺旋线2m23的螺旋外直径为l3。半圆环2m22的初始段切线与x轴的夹角为αm，αm代表第m螺旋线内导体2m2的空间方位，在直线阵列中，相邻两个螺旋线内导体的空间方位角度差为一个常量p，即αm-αm-1＝p，其中1<m≤m。上述结构参数l1，l2，和l3均由电磁仿真软件(如cstmicrowavestudio)优化得到，优化的目标是螺旋线的辐射在轴向上的轴比为零，反射接近零。

如图5(a)所示，第m耦合腔2m3的外形一端为圆柱凸台2m31，另一端为长方体2m32，圆柱凸台的外半径为r1，凸台的高度为h1。沿图5(a)中的nn'方向截断，耦合腔2m3的正视图如图5(b)所示。第m耦合腔2m3的内部挖有四个不同形状的孔，从圆柱凸台2m31向长方体2m32的方向依次为第一孔2m33，第二孔2m34，第三孔2m35，第四孔2m36，四个孔连通在一起构成微波传输的通道。沿图5(b)aa'方向截断，得到第一孔2m33的截面俯视图如图5(d)所示，第一孔2m33由内孔2m331和外孔2m332构成，内孔2m331和外孔2m332的高度均为h1，内孔2m331截面形状为半径为r2的圆形，第m螺旋线内导体2m2即通过该孔插入波导内，外孔2m332近似半环形，内半径为r3，外半径为r4，外孔2m332的圆心角为外孔2m332的对称轴cc'与x轴的夹角定义为耦合腔的旋转角，用θm表示。沿图5(b)bb'方向截断，得到第二孔2m34的截面俯视图如图5(d)所示，第二孔2m34的高度为h2-h1，第二孔2m34的轮廓由两段弧线构成，尺寸较大的圆弧线的半径为r4，对应的圆心角为尺寸较小弧线的半径为r5，对应的圆心角为第二孔2m34的对称轴dd'与x轴的夹角也为θm，第一耦合腔213到第m耦合腔2m3结构的尺寸除了耦合腔的旋转角θm不同外，其它结构尺寸均相同。第三孔2m35的高度h3-h2，截面形状为圆形，圆形半径为r5。第四孔2m36的高度h4-h3，截面形状为圆形，圆形半径为r6。

根据前面的分析，具体以工作在x波段中心频点8.4ghz为例，矩形波导的尺寸取a2＝30.00mm，b2＝15.00mm，波导壁厚t＝2.50mm。相邻辐射单元的间距d＝22.50mm(0.63λ)。天线的其它参数可通过电磁仿真软件(如cstmicrowavestudio)仿真优化和计算得到。利用cst模拟计算，矩形波导的注入端11设置为1端口，矩形波导的12端设置为2端口模拟匹配负载，相邻螺旋线内导体的空间方位角度差p＝αm-αm-1的状态从331.1°变化到52°时，高功率微波一维波束可扫直线阵列天线在x-o-z平面上的远场方向图如图6所示，图中横坐标是偏离直线阵口面法向的方向角，纵坐标是增益，从图中可以看出，分别在p＝331.1°，p＝251.1°，p＝182.8°，p＝114.4°，p＝52°的工作状态下，主波束(增益最大值)的波束指向分别为-35°，-17.5°，0，17.5°，35°，即实现了从-35°到35°共计70°范围的波束扫描。且在波束扫描过程中，由于仅仅是螺旋线内导体的空间方位角度发生了变化，矩形波导内部的耦合结构保持不变，因此波束扫描过程不影响能量在波导内部的耦合传输，即不会影响天线的传输和反射，以反射参数(输入电场强度与反射电场强度之比)为例，如图7所示，为反射参数随频率的变化曲线，横坐标为频率，纵坐标为反射参数，分别在p＝331.1°，p＝251.1°，p＝182.8°，p＝114.4°，p＝52°的工作状态下，反射参数曲线几乎保持不变，也就是说天线的辐射效率能够保持在理论设计数值，一般大于95％。

由上述结果可知，本发明这种实施方式能够通过步进电机对直线阵列的口面相位实施调节，从而实现了一维波束扫描，工程上是可以实现的；同时该发明具有较宽的波束扫描范围和稳定的辐射效率。以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化及变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的保护范畴。