高功率微波圆极化辐射技术研究

发布时间：2020-10-28 16:03

　　 作为高功率微波(HPM)系统的重要组成部分和关键部件之一,HPM辐射天线将HPM以一定的极化方式按指定方向辐射出去。其性能很大程度上决定了HPM系统的总体性能。因此,研究满足系统要求的HPM辐射技术具有重要的学术意义和应用价值。论文深入研究了HPM圆极化辐射技术。首先理论分析并实验给出了常用金属波导与介质材料的HPM击穿阈值,以此作为设计依据,在满足天线对馈源电性能要求的前提下,利用变张角喇叭的模式配比方法和大尺寸圆锥喇叭口径相位差较大的特性,设计了低方向性系数的大口径高功率容量喇叭馈源,使得馈源口面场幅值分布较为均匀,降低了馈源介质窗上的最大电场强度,提高了喇叭馈源的功率容量。其次,设计了GW级HPM圆极化器,通过渐变椭圆波导结构,实现了HPM线极化到圆极化的转换。根据HPM传输与辐射的特点,优化设计了在线选模功率测量装置和辐射场阵列测量装置,为HPM圆极化辐射系统提供了功率容量测量装置。最后,将所研制的HPM圆极化器和高功率容量喇叭馈源组合成HPM圆极化馈源,安装在HPM波束波导天线上开展实验研究,成功实现了HPM圆极化高效率定向辐射,满足了工程应用要求。论文的主要研究工作和成果包括以下几个方面:1.基于圆波导TE11模的模式简并特性和微波在椭圆波导中传输时两个正交TE11模式相速不同的性质,通过优化椭圆波导的长短轴之比和椭圆波导的长度等参数,设计并实现了一种渐变椭圆波导结构的TE11模HPM圆极化器。该圆极化器内无任何介质或销钉等不连续结构,因此插入损耗较小,在工作频率9 GHz~10 GHz范围内,轴比小于1 d B,且功率容量大于1 GW。2.研究了线极化波转换为圆极化波降低馈源口面最大电场强度和提高HPM辐射系统功率容量的方法。研究结果表明,在相同功率下,辐射圆极化波时,介质窗上的最大峰值电场强度是辐射线极化时的2 2倍,这为提高HPM系统功率容量提供了新的技术手段。3.结合工程应用,设计了适合于HPM波束波导天线的HPM喇叭馈源。馈入功率1.5GW时,所设计的馈源口面电场强度小于40 k V/cm,馈源辐射的初级方向图在-10 d B内等化良好;在±20°照射角内,照射到HPM波束波导天线第一反射镜上的功率约为馈入馈源功率的93%,相位起伏小于22.5°,满足了工程应用对HPM喇叭馈源的指标要求。4.开展了HPM圆极化辐射系统的实验研究。实验结果表明,在脉冲宽度为20 ns的X波段HPM作用下,线极化馈入时介质窗的功率容量约为1.5 GW;而对于相同的馈源介质窗,线极化转化为圆极化HPM馈入时介质窗的功率容量不小于2.1GW,实验证明了通过将线极化波转换为圆极化波能够提高HPM馈源的功率容量。将所研制的圆极化HPM馈源与HPM波束波导天线组成辐射系统,实现了圆极化HPM的有效辐射,口径为6m的HPM波束波导天线的实测增益约为53.2d B,效率约为53%,轴比约为2.5 d B。
【学位单位】：西安电子科技大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2015
【中图分类】：TN820
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
符号对照表
缩略语对照表
第一章 绪论
    1.1 高功率微波概述
    1.2 HPM辐射技术国内外研究现状
    1.3 HPM辐射技术中存在的问题
    1.4 研究内容及结构安排
第二章 HPM辐射系统中的微波击穿及功率容量问题
    2.1 HPM击穿的基本理论
        2.1.1 种子电子发射
        2.1.2 二次电子发射和倍增
        2.1.3 释气现象
        2.1.4 气体击穿
    2.2 HPM辐射系统击穿判断
        2.2.1 在线与辐射场对比诊断微波击穿
        2.2.2 辐射系统击穿的光学诊断
    2.3 HPM辐射系统的功率容量问题
        2.3.1 测量装置的功率容量
        2.3.2 馈电波导的HPM击穿
        2.3.3 馈源介质窗的HPM击穿
        2.3.4 HPM的大气击穿
    2.4 小结
第三章 HPM喇叭馈源设计与实现
    3.1 HPM辐射系统对馈源的技术要求
    3.2 HPM喇叭馈源理论设计
    3.3 HPM喇叭馈源数值模拟
    3.4 HPM喇叭馈源介质窗的设计
    3.5 HPM喇叭馈源性能测试
        3.5.1 小信号测试
        3.5.2 窄脉冲测试
        3.5.3 线极化功率容量实验
    3.6 小结
第四章 HPM圆极化器的设计与实现
    4.1 引言
    4.2 现有波导圆极化器的局限
11模HPM圆极化器设计方法'>    4.3 TE₁₁模HPM圆极化器设计方法
11模HPM圆极化器数值模拟研究'>    4.4 TE₁₁模HPM圆极化器数值模拟研究
11模HPM圆极化器性能测试'>    4.5 TE₁₁模HPM圆极化器性能测试
    4.6 小结
第五章 HPM圆极化辐射系统
    5.1 引言
    5.2 HPM圆极化辐射系统构建
    5.3 HPM圆极化辐射系统小信号测试
        5.3.1 HPM圆极化馈源测量
        5.3.2 HPM圆极化天线测量
    5.4 功率容量测量方法
    5.5 HPM圆极化馈源功率容量实验研究
    5.6 圆极化HPM大气击穿实验研究
    5.7 小结
第六章 总结与展望
    6.1 论文主要结论
    6.2 研究展望
参考文献
致谢
作者简介

【参考文献】

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1 侯民胜;秦海潮;;高功率微波(HPM)武器[J];空间电子技术;2008年02期

本文编号：2860304