高功率微波功分移相网络与漏波阵列天线研究

发布时间：2020-04-26 03:44

【摘要】：高功率微波系统通常由脉冲功率子系统、高功率微波源、传输子系统和发射子系统等部件组成。随着相关技术的发展,高功率微波源的峰值输出功率不断提高,相应地对后级的传输与发射系统的性能要求也逐步提高。目前在应用中技术较为成熟的高功率微波发射部件是大口径反射面天线,该类天线结构简单、增益较高、适应工作频带较宽,但其机械式波束扫描方式的响应速度较慢,难以实现共形安装。相比于反射面天线,相控阵天线具有无惯性快速电扫、波束形状捷变等优点。功分器、移相器及发射天线的性能,直接决定了发射系统的增益、效率、扫描范围及精度。研究具有高功率、低插损特性的功分移相网络和高辐射效率天线结构,具有较高的理论意义和实用价值。本文首先研究了高功率平面化多路功分器的设计方法。根据扇形波导特定模式沿周向均匀分布的特性,提出了多路等分功分器设计方案。其中,通过调整输出通道圆心角提高了输出的幅度一致性;同时,引入调相结构提高了输出相位一致性,对相关方法做了理论分析和仿真验证。根据所提设计方法设计了一种x波段48路平面化波导功分器,并对其传输特性开展了实验研究。结果表明:功分器传输效率达到95.7%,输出功率一致性达到0.28dB,相位平衡度为4.6°,功率容量达到2.7GW,该方案可以满足高功率应用中的平面化多路输出、等幅同相等性能要求。其次,研究了高功率、高口径效率漏波波导天线的设计方法,对传统漏波天线设计理论进行总结,结合高口径效率条件对天线设计的影响对设计过程进行改进,给出了侧边加载金属柱型波导漏波天线的具体设计方法。根据所提方法设计了一种X波段48路波导漏波天线,加工了天线样件,通过实验验证所提天线结构的辐射特性。漏波天线在工作频段内的回波损耗优于25dB,中心频点处的增益达到38.75dB,相应的口径效率达到80.7%,功率容量为3.1GW。再次,基于半导体光电效应提出了一种非接触式高功率波导移相器设计方案,对光控移相器的工作原理做了理论分析,给出了移相器移相量和插损关于半导体电导率和结构尺寸参数的理论公式。利用可获得的半导体材料和光源,通过实验手段确定了能够实现大角度相移的半导体材料和光源组合,并对光控移相器设计方案的可行性进行实验验证。最后,对高隔离度波导合路器的设计方法进行了理论研究,基于三端口网络分析的相关理论提出了三种提高合路器隔离度的设计方法;对波导-同轴魔T结构的合路器进行了等效电路建模,并推导了其中等效电路元件参数的解析表达式;同时,基于常规3dB混合环结构,提出具有紧缩截面特性的高隔离度波导合路器设计方案,研制出一种工作于X波段的四路同轴-波导功率合成器,合成效率达到98.9%,相对带宽12%,隔离度优于22dB,横截面尺寸为0.71λ×0.74λ,功率容量达到13.7kW,以上结果表明该方案实现了高功率条件下的紧缩截面功率合成功能。
【图文】：

示意图,高功率微波,系统结构,示意图

逦（ｂ）等离子体加热逦（ｃ）高能加速器逡逑图１．１高功率微波典型应用逡逑高功率微波系统通常由脉冲功率子系统、高功率微波源、传输与馈电网络和逡逑高功率发射子系统等部件组成［６］。随着技术的不断发展，高功率微波源的输出逡逑峰值功率不断提高，其对后级的传输与发射系统性能的要求也逐步提高。目前应逡逑用较广泛的高功率微波发射系统是单馈源大口径反射面天线，该类天线具有较高逡逑增益，可以通过机械转动的方式实现波束扫描，但由于反射面为大口径抛物面，逡逑给设计、加工及组装带来较大困难，且机械式波束扫描响应速度较慢，难以满足逡逑应用中的快速反应需求，因此高功率微波发射系统逐渐向电控扫描的平面阵列发逡逑展，相控阵天线逐渐成为相关应用的发展趋势。逡逑直流脉冲压缩邋微

示意图,高功率微波,脉冲功率,微波源

图１．１高功率微波典型应用逡逑
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN015;TN820

【参考文献】