高功率近场卡塞格伦天线的设计

引 言
    高功率微波(High Power Microwave，HPM)或称高能微波，一般指峰值功率在1 00 mW以上，工作频率在1～30 GHz(相应波长为300～10 mm)的电磁波。研究表明，当微波功率密度达O．01～1μW，／cm2时，可使工作在相应频段上的雷达和通讯设备受到干扰，不能正常工作；当功率密度达 O．01～1 W／cm2时，可使雷达、通信、导航等设备的微波器件性能降低或失效；当功率密度达10～100 W／cm2时，可使工作在任何波段的电子元器件失效，导致武器设备丧失功能，造成机毁人亡的后果。因此，对高功率近场卡塞格伦天线系统的研究是很有必要的。
    在高功率微波武器系统中，天线的主要作用就是把辐射的高功率微波电磁能量聚集成极窄的波束，使微波能量高度集中，从而以极高的能量强度发射出去照射目标，破坏武器系统和损伤作战人员。目前，国内外通常选择双反射面天线作为该系统的基本形式。高功率微波天线与常规天线最主要的区别在于其功率容量。为了避免出现打火现象，将排除环焦天线和格里高利天线，原因在于其固有结构会因二次聚焦而出现严重的空气击穿，故选择近场卡塞格伦天线形式。
    在实际工程设计中，受工作平台尺寸的限制，为了获得好的性能指标需要平衡两个矛盾：
    (1)高功率与高指标之问的矛盾，即高功率要求馈源口径尺寸很大，就意味着副面的尺寸不能太小，否则会有漏射，故而会降低主面的有效面积；
    (2)有限空间与高指标之间的矛盾，天线的主面尺寸和副面尺寸不能同时满足副面绕射损失足够小和副面电平足够低的要求，因此主瓣增益会有损失。
    本文系统地给出了高功率近场卡塞格伦天线的设计。利用内壁光滑的指数型多模喇叭满足高功率微波天线对馈源高功率容量和良好辐射特性的要求。内壁光滑的指数型多模喇叭加载介质透镜可以实现对近场卡塞格伦天线副面的平面波照射。最后，在平衡两个矛盾的基础上通过优化设计获得了X频段的高功率近场卡塞格伦天线结构尺寸，其理论功率容量大于600 mW。实测结果与仿真结果吻合良好，证明该设计方案的可行性。

1 近场卡式天线模型的分析
    如图1所示，近场卡塞格伦天线是卡塞格伦天线的一种特例，它用抛物面作为副面，用平面波照射副面，构成这种天线的主面和副面共焦于O点。多模喇叭加载介质透镜作为馈源，该馈源能够辐射出平面波。该馈源有如下优点：
    (1)轴向辐射，方向性好；
    (2)结构简单，功率容量高；
    (3)利用平面波照射，副面的漏射小；
    (4)便于密封，喇叭口径上的介质透镜同时可以作为密封罩。

1．1 指数型多模喇叭
    多模喇叭的物理机制可表述如下：通常由于主模为TE11模的喇叭，其E面方向图比H面方向图窄，不能形成旋转轴对称的辐射方向图，其峰值交叉极化电平也必然高。TE1n模对H面和E面的方向图都有贡献，而TM1n模上对E面方向图有贡献，对H面方向图没有贡献。如果在主模馈源中引入产生高次模TM11及其他高次模的装置，而且合适地配置高次模与主模的相对相位，充分利用TM1n模只对E面方向图有贡献，而对H面方向图没有贡献这一特性，就可获得旋转轴对称的方向图，实现等化波束的目的。
    内壁光滑的指数型曲线喇叭工作的基本机制是：随着喇叭曲线曲率的不断变化会不断激励出高次模，这样就可以通过曲线对波束进行赋形，最终使喇叭辐射的方向图具有旋转轴对称性。
    指数型多模喇叭的结构如图2所示。其主要参数有：输入端圆波导的直径d1、指数型喇叭口面直径d2、输入端圆波导的长度L1和喇叭指数线部分的长度L2。其中，指数曲线满足下面的指数方程：

  
    指数型多模喇叭设计的原则是改变指数方程参数对波束进行赋形，最终使喇叭辐射的方向图具有旋转轴对称性。如果令a=1和c=0，那么指数方程的可调参量就剩下k和q。利用电磁仿真软件可以完成对指数型多模喇叭进行仿真优化，确定指数方程中的k和q，得到满足要求的指数型多模喇叭。

1．2 双曲型介质透镜
    介质透镜喇叭天线是一种传统的微波天线，获得了广泛的应用。考虑到工程上的可实现性以及功率容量问题。设计紧凑型高功率馈源，首选介质透镜。介质透镜的折射率都大于1，是根据几何光学的两个基本原理设计的：
    费马原理：光或电磁波沿着光程为极值的路程传播；
    斯奈尔定律：光或电磁波通过两种不同介质边界面时的折射率定律为：

  
式中：θi为入射角；θt为折射角；n为第二种介质相对于第一种介质的折射率。
    图3所示为双曲型介质透镜示意图，它是一种单面透镜，即只有一个面使微波射线发生折射，其第一个面(照明面)为旋转双曲面，第二个面为平面。其中，旋转抛物面方程为：

    对于要加载在喇叭口径上的介质透镜，若喇叭的半张角为θ0，喇叭口径为D，则由几何关系可以求得喇叭透镜焦点到透镜第二个面(平面)的距离为：

  
    通过式(3)和式(4)进一步可求得透镜双曲面的顶点到焦点的距离(即焦距f)和透镜厚度d。
    对于透镜的设计原则：首先找出喇叭的相位中心，确定F的值；进而根据D值，确定θ0的值；最后根据需要选择透镜的材料，并确定f值。
1．3 功率容量的分析
    通过计算可以求得对应输入功率为1 W时介质透镜外表面的最大电场Emax。由于功率与电场的幅值平方成正比，当馈源输入的最大功率为Pimax时，可以得到介质透镜外表面的电场为：

   
    一般认为空气中连续波电场击穿阈值为30 kV／cm，因此在馈源输出功率满足式(5)的情况下，口径上不会发生空气击穿现象。事实上，目前的高功率微波多为几十纳秒的短脉冲微波，在短脉冲情况下大气的击穿阈值要大于30 kV／cm，因此从介质透镜表面的空气击穿角度考虑，该馈源的功率容量大于Pimax。
1．4 近场卡式天线的主、副面
    图4为近场卡塞格伦天线结构示意图。

    (4)主、副面半张角为：

2 设计及实验结果
    根据指标要求，利用电磁仿真软件优化设计并加工了一个X频段的近场卡塞格伦天线，对其电性能进行实际测量，比较了馈源的仿真结果和测量结果。其中，该天线系统的各个部分尺寸如下：
    指数型多模喇叭尺寸：d1=0．05 m，d2=0．266 m，L1=0．013 m，L2=0．507 m；指数方程参量：a=1，c=0，k=0．333，g=3。
    双曲型介质透镜尺寸：F=0．5 m，f=0．465 m，n=1．5，θ0=14．9°，介质透镜的材料选用聚乙烯。
    近场卡式天线主、副面尺寸：Dm=2．2 m，Vs=0．332 m，F=0．836 m，f=0．126 m，θ=66．58°。
    如图5所示是近场卡塞格伦天线实物。该天线在微波暗室进行测量。由图6可以看出，介质透镜外表面的最大电场小于110 V／m，当输入功率为600 mW时，满足式(5)，因此该馈源的功率容量大于600 mW。

    图7和图8分别示出加载介质透镜的指数型多模喇叭E面和H面的仿真结果和测量结果。通过对比可以看出，实测结果与仿真结果吻合良好，说明馈源设计符合要求。

    图9和图10分别给出设计的近场卡塞格伦天线水平面(E面)方向图和俯仰面(H面)方向图的测量结果。测量结果表明，设计的天线电性能完全满足指标要求。这也说明指数型喇叭是一种高效率馈源，而且具有高功率容量和轴对称的方向图，适合用来作为高功率近场卡塞格伦天线的馈源。

3 结 语
    系统地给出了高功率近场卡塞格伦天线的设计方案。针对高功率微波天线对馈源高功率容量和良好辐射特性的要求，选择用内壁光滑的指数型多模喇叭。对多模喇叭口面加载介质透镜，以满足对天线副面进行平面波照射。通过优化设计，最终获得了功率容量大于600 mW的X频段高功率近场卡塞格伦天线，且实测结果与仿真结果吻合良好。由此证明该设计方案的可行性。