高功率近場(chǎng)卡塞格倫天線(xiàn)的設計

引 言
高功率微波(High Power Microwave，HPM)或稱(chēng)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(cháng)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(shí)，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(shí)，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(shí)，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(chǎng)卡塞格倫天線(xiàn)系統的研究是很有必要的。
在高功率微波武器系統中，天線(xiàn)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，破壞武器系統和損傷作戰人員。目前，國內外通常選擇雙反射面天線(xiàn)作為該系統的基本形式。高功率微波天線(xiàn)與常規天線(xiàn)最主要的區別在于其功率容量。為了避免出現打火現象，將排除環(huán)焦天線(xiàn)和格里高利天線(xiàn)，原因在于其固有結構會(huì )因二次聚焦而出現嚴重的空氣擊穿，故選擇近場(chǎng)卡塞格倫天線(xiàn)形式。
在實(shí)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(gè)矛盾：
(1)高功率與高指標之問(wèn)的矛盾，即高功率要求饋源口徑尺寸很大，就意味著(zhù)副面的尺寸不能太小，否則會(huì )有漏射，故而會(huì )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(xiàn)的主面尺寸和副面尺寸不能同時(shí)滿(mǎn)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(huì )有損失。
本文系統地給出了高功率近場(chǎng)卡塞格倫天線(xiàn)的設計。利用內壁光滑的指數型多模喇叭滿(mǎn)足高功率微波天線(xiàn)對饋源高功率容量和良好輻射特性的要求。內壁光滑的指數型多模喇叭加載介質(zhì)透鏡可以實(shí)現對近場(chǎng)卡塞格倫天線(xiàn)副面的平面波照射。最后，在平衡兩個(gè)矛盾的基礎上通過(guò)優(yōu)化設計獲得了X頻段的高功率近場(chǎng)卡塞格倫天線(xiàn)結構尺寸，其理論功率容量大于600 mW。實(shí)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(chǎng)卡式天線(xiàn)模型的分析
如圖1所示，近場(chǎng)卡塞格倫天線(xiàn)是卡塞格倫天線(xiàn)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(xiàn)的主面和副面共焦于O點(diǎn)。多模喇叭加載介質(zhì)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(diǎn)：
(1)軸向輻射，方向性好；
(2)結構簡(jiǎn)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(zhì)透鏡同時(shí)可以作為密封罩。

1．1 指數型多模喇叭
多模喇叭的物理機制可表述如下：通常由于主模為T(mén)E11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(chēng)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(méi)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(méi)有貢獻這一特性，就可獲得旋轉軸對稱(chēng)的方向圖，實(shí)現等化波束的目的。
內壁光滑的指數型曲線(xiàn)喇叭工作的基本機制是：隨著(zhù)喇叭曲線(xiàn)曲率的不斷變化會(huì )不斷激勵出高次模，這樣就可以通過(guò)曲線(xiàn)對波束進(jìn)行賦形，最終使喇叭輻射的方向圖具有旋轉軸對稱(chēng)性。
指數型多模喇叭的結構如圖2所示。其主要參數有：輸入端圓波導的直徑d1、指數型喇叭口面直徑d2、輸入端圓波導的長(cháng)度L1和喇叭指數線(xiàn)部分的長(cháng)度L2。其中，指數曲線(xiàn)滿(mǎn)足下面的指數方程：

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

1．2 雙曲型介質(zhì)透鏡
介質(zhì)透鏡喇叭天線(xiàn)是一種傳統的微波天線(xiàn)，獲得了廣泛的應用?？紤]到工程上的可實(shí)現性以及功率容量問(wèn)題。設計緊湊型高功率饋源，首選介質(zhì)透鏡。介質(zhì)透鏡的折射率都大于1，是根據幾何光學(xué)的兩個(gè)基本原理設計的：
費馬原理：光或電磁波沿著(zhù)光程為極值的路程傳播；
斯奈爾定律：光或電磁波通過(guò)兩種不同介質(zhì)邊界面時(shí)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(zhì)相對于第一種介質(zhì)的折射率。