阅读说明：本技术 高功率微波极化转换超透镜天线 (High-power microwave polarization conversion super-lens antenna ) 是由 袁成卫 赵旭浩 张建德 张强 孙云飞 于 2020-06-23 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种高功率微波极化转换超透镜天线,目的是解决现有喇叭天线不具备极化转换功能、与波导圆极化器配合时轴向不够紧凑问题。本发明由喇叭天线和极化转换超透镜构成,喇叭天线由第一法兰盘、圆锥喇叭和第二法兰盘组成。极化转换超透镜由多个极化转换超透镜单元以蜂窝状排列组合而成,极化转换超透镜单元中心钻有通孔,通孔内部有两个弓形柱,分别通过支撑杆与通孔内壁连接,极化转换超透镜单元的两端分别开有两个匹配槽。极化转换超透镜单元横截面为正六边形,紧密排列成一个圆形。本发明厚度在一个自由空间波长左右,轴向上更加紧凑,具有较高功率容量,可直接将线极化模式转换为圆极化模式,并将圆极化微波模式辐射到自由空间中。(The invention discloses a high-power microwave polarization conversion superlens antenna, and aims to solve the problem that an existing horn antenna does not have a polarization conversion function and is not compact enough in axial direction when matched with a waveguide circular polarizer. The invention is composed of a horn antenna and a polarization conversion super lens, wherein the horn antenna is composed of a first flange plate, a conical horn and a second flange plate. The polarization conversion super lens is formed by combining a plurality of polarization conversion super lens units in a honeycomb arrangement mode, a through hole is drilled in the center of each polarization conversion super lens unit, two arched columns are arranged inside the through hole and are respectively connected with the inner wall of the through hole through supporting rods, and two matching grooves are formed in two ends of each polarization conversion super lens unit. The cross section of the polarization conversion super lens unit is in a regular hexagon shape and is tightly arranged into a circle. The invention has the advantages of compact thickness around a free space wavelength, high power capacity, direct conversion from a linear polarization mode to a circular polarization mode and radiation of the circular polarization microwave mode to the free space.)

高功率微波极化转换超透镜天线

技术领域

本发明涉及高功率微波技术领域的一种辐射天线，尤其是一种可以实现圆极化辐射的高功率微波极化转换超透镜天线。

背景技术

高功率微波作为一门新兴的学科，在军事领域和民用领域都有着广泛的应用前景。作为高功率微波系统的重要组成部分，高功率辐射天线决定着能否将高功率微波源产生的能量有效地辐射或集中作用到目标上。目前，大多数高功率微波辐射天线均为线极化天线，对于圆极化接收的电子设备，很难发挥作用效果，部分能量将由于极化不匹配而损失。因此，为了提高高功率微波天线的作用效果，拓展高功率微波的应用范围，需要发展和丰富圆极化辐射技术。

为了实现高功率微波的圆极化辐射，增加高功率微波与目标的耦合概率，通常要应用高功率圆极化器将高功率微波源(如虚阴极振荡器、相对论返波管、磁绝缘线振荡器等)产生的圆波导线极化模式转换为圆极化模式后，再用来激励喇叭天线。现有的高功率微波圆极化器的长度通常在3～7个波长，当与喇叭天线配合使用时，会造成整个高功率微波发射系统结构复杂，轴向长度较长等问题，在某些特定的场合应用会受到限制。

由于现有的喇叭天线与高功率微波圆极化器配合使用时，轴向长度较长，不能满足某些特定场合(如空间尺寸有限的机载平台)的应用需求，如何设计一种轴向紧凑同时具有圆极化辐射功能的喇叭天线是本领域技术人员极为关注的技术问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种新型高功率微波极化转换超透镜天线，其结构紧凑，具有较高增益，用以解决现有喇叭天线不具备极化转换功能，以及与波导圆极化器配合时轴向不够紧凑等问题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

本发明高功率微波极化转换超透镜天线由喇叭天线和极化转换超透镜两部分构成，其中喇叭天线为圆锥喇叭天线，由第一法兰盘、圆锥喇叭和第二法兰盘组成。喇叭天线一端通过第一法兰盘与微波源相连作为输入端口，另一端通过第二法兰盘与极化转换超透镜焊接作为输出端口，第一法兰盘和第二法兰盘分别与圆锥喇叭的两端相连；定义本发明靠近微波源的一端(即第一法兰盘所在的一端)为输入端，定义本发明远离微波源的一端(即极化转换超透镜所在的一端)为输出端；喇叭天线和极化转换超透镜共轴，中心轴线为OO’。

喇叭天线为金属材料制成，第一法兰盘焊接在圆锥喇叭输入端的外壁上，第二法兰盘焊接在圆锥喇叭输出端的外壁上；第一法兰盘呈圆环状，其外直径为D₁，内直径为D₂，圆环厚度即轴向长度为t₁；圆锥喇叭由圆波导和圆锥波导连接而成，其中圆波导形状为一个圆筒，内直径等于D₂，轴向长度为t₂，波导壁厚为s；圆锥波导与圆波导相连一端的内直径等于D₂，远离圆波导一端的内直径为D₃，轴向长度为l₁，波导壁厚等于s，D₃>D₂；第二法兰盘呈圆环状，其外直径为D₄，内直径等于D₃，第二法兰盘圆环厚度即轴向长度等于t₁。

极化转换超透镜由金属材料构成，整体呈圆盘状，其直径等于D₄，厚度为l₂。极化转换超透镜由多个极化转换超透镜单元以蜂窝状排列组合而成，令任意一个极化转换超透镜单元的中心轴线为O₁O₁’，O₁O₁’与OO’平行。极化转换超透镜单元中心钻有一个第一圆柱形通孔，第一圆柱形通孔半径为r，深度为l₂，第一圆柱形通孔的中心轴线与O₁O₁’共轴。第一圆柱形通孔内部有两个结构相同的弓形柱，分别为第一弓形柱和第二弓形柱，第一弓形柱和第二弓形柱分别通过第一支撑杆和第二支撑杆与第一圆柱形通孔内壁连接，第一弓形柱和第二弓形柱关于O₁O₁’180°旋转对称；几何中心轴线O₂O₂’为经过第一弓形柱矩形底面几何中心的垂线，O₂O₂’与O₁O₁’垂直。第一支撑杆与第二支撑杆为两个结构相同的扇环形柱，第一支撑杆与第二支撑杆关于O₁O₁’180°旋转对称；第一支撑杆一个弧面与第一圆柱形通孔内壁连接，另一个弧面与第一弓形柱的弧面连接，从而在第一圆柱形通孔内部支撑第一弓形柱；第二支撑杆一个弧面与第一圆柱形通孔内壁连接，另一个弧面与第二弓形柱的弧面连接，从而在第一圆柱形通孔内部支撑第二弓形柱；第一弓形柱与第一支撑杆长度均等于l₂。为了匹配出射阻抗，沿O₁O₁’方向，极化转换超透镜单元在远离微波源的一端开有两个匹配槽，分别为第一出射匹配槽及第二出射匹配槽；为了匹配入射阻抗，极化转换超透镜单元在靠近微波源的一端也开有两个匹配槽，分别为第一入射匹配槽及第二入射匹配槽；四个匹配槽结构相同，第一出射匹配槽与第二出射匹配槽关于O₁O₁’180°旋转对称，第一入射匹配槽与第二入射匹配槽关于O₁O₁’180°旋转对称，第一出射匹配槽与第一入射匹配槽关于O₂O₂’对称；第一出射匹配槽槽深为l₂₁，l₂₁<l₂/2。

极化转换超透镜单元横截面为正六边形，边长为a；第一弓形柱横截面为弓形，半径为r₀，弦长为d；第一支撑杆横截面为扇环形，内径为r₀，外径为r，宽度为b；第一出射匹配槽横截面为扇环形，内外环半径分别为r及r₁，槽宽为k。

从极化转换超透镜的横截面来看，极化转换超透镜单元的横截面紧密排列成一个直径为D₄的圆形，每个极化转换超透镜单元在极化转换超透镜中所处位置可用行数p₁和列数q₁表示。极化转换超透镜的中心轴线为OO’，定义极化转换超透镜中心O₃处极化转换超透镜单元在第0行第0列，极化转换超透镜中心O₃上侧单元所处行数为正、下侧为负，右侧单元所处列数为正、左侧为负。设极化转换超透镜的中心O₃处为坐标原点，建立x₁-y₁固定直角坐标系，则任意一个极化转换超透镜单元的第一圆柱形通孔的中心在x₁-y₁平面的投影可用坐标Q₁(x₁,y₁)表示，极化转换超透镜单元的边长a确定后，其中心投影坐标Q₁(x₁,y₁)也随之确定，且有(q₁表示极化转换超透镜单元在蜂窝状阵列中所处列数，p₁表示极化转换超透镜单元在蜂窝状阵列中所处行数)。令极化转换超透镜单元的几何中心轴线O₂O₂’与x₁轴正向的顺时针夹角为α₁，α₁由喇叭天线注入的具体模式确定。

为了叙述方便，这里统一介绍以上设计的结构参数所满足的条件：

1、定义喇叭天线出射微波的中心频率为f，真空中光速为c，则极化转换超透镜单元第一圆柱形通孔半径r<c/2f，深度l₂<3c/2f，极化转换超透镜单元的正六边形的边长第一弓形柱半径r₀<r，弦长d<2r₀；扇环形匹配槽外径r₁满足c/2f>r₁>r，槽深l₂₁<l₂/2，槽宽k<d；第一支撑杆宽b<r₀。微波在自由空间传输至极化转换超透镜后，经过极化转换超透镜单元可以实现线极化模式到圆极化模式的转换，而r、r₀、l₂、d和b的取值决定了此转换过程能否实现，因此r、r₀、l₂、d和b是仿真优化的关键参数。同时，在此过程中需要保证微波无耗传输，而参数r₁、l₂₁和k的取值决定了微波能否完全通过而没有反射，因此r₁、l₂₁和k也是仿真优化的关键参数。具体应用时，给定微波频率f后，可以大致确定a、r、r₀、l₂、d和b的取值范围，在各个部件实现上述功能的前提下，可以由电磁仿真软件CSTStudio Suite优化进而得到a、r、r₀、r₁、l₂、l₂₁、d、b和k的一组具体值。

2、坐标为Q₁(x₁,y₁)的极化转换超透镜单元的几何中心轴线O₂O₂’与x₁轴正向的夹角α₁由喇叭天线注入的具体模式确定，定义O₂O₂’与x₁轴正向的顺时针夹角为正，与x₁轴正向的逆时针夹角为负。当喇叭天线注入线极化TM₀₁模式时，x₁轴正向与O₂O₂’的夹角当喇叭天线注入线极化TE₀₁模式时，x₁轴正向与O₂O₂’的夹角其中，x₁为极化转换超透镜单元第一圆柱形通孔中心所对应的投影坐标Q₁(x₁,y₁)的横坐标，y₁为Q₁(x₁,y₁)的纵坐标，且有 a为正六边形的边长，p₁表示极化转换超透镜单元在蜂窝状阵列中所处行数，q₁表示极化转换超透镜单元在蜂窝状阵列中所处列数。α₁只与第一圆柱形通孔中心的投影坐标及喇叭天线出射模式有关，与微波的频率无关。具体应用时，当确定极化转换超透镜单元横截面正六边形的边长a以及喇叭天线出射微波模式后，根据a可确定Q₁(x₁,y₁)，α₁则可通过上述公式计算得到。

3、喇叭天线为圆锥喇叭天线，其主要结构参数为D₂、D₃、t₂和l₁，且有D₃>D₂>0，t₂>0，l₁>0，这些参数应使得喇叭天线的辐射效率超过99％，并且微波在喇叭内以近似球面波传播，具体应用时，给定微波频率后，可由电磁仿真软件CST Studio Suite优化设计得到D₂、D₃、t₂和l₁的具体值。第一法兰盘的结构参数D₁、t₁，第二法兰盘的结构参数D₄、t₁不影响发明的整体实施效果，在满足D₄>D₁>0，t₁>0的前提下，根据具体需要选择合适值即可。

通过电磁仿真软件CST Studio Suite，在满足0<r₀<r<r₁<c/2f，0<2l₂₁<l₂<3c/2f，0<d<2r₀，0<b<r₀，k<d，D₃>D₂>0，l₁>0，D₄>D₁>0，t₁>0，t2>0，s>0的条件下，设定天线辐射效率大于99％，可以获得参数a、r、r₀、r₁、l₁、l₂、l₂₁、d、b、k、D₁、D₂、D₃、D₄、t₁和t₂的精确值，s一般取3-5mm。且这样设计出来的极化转换超透镜的厚度l₂在一个自由空间波长左右。

本发明的工作过程为：圆波导将从高功率微波源接收的线极化模式输入到圆锥波导，经圆锥波导辐射至极化转换超透镜。极化转换超透镜内部有许多极化转换超透镜单元，每个极化转换超透镜单元将线极化模式转换为圆极化模式，并最终将圆极化微波模式辐射到自由空间中。

设计的极化转换超透镜的厚度l₂在一个自由空间波长左右，相比传统的波导圆极化器在轴向上更加紧凑。同时，整个辐射系统有较高的功率容量，可以满足高功率微波领域中的应用需求。

与现有技术相比，采用本发明可以达到以下技术效果：

1.本发明通过极化转换超透镜单元的优化设计，可以保证入射微波极化方式高效地转换为圆极化微波模式，使得整个极化转换超透镜天线具有较高的辐射效率及较低的副瓣电平；

2.极化转换超透镜的厚度在一个自由空间波长左右，与现有的极化转换技术相比，厚度大大减小，从而使得整个极化转换喇叭天线在轴向上更加紧凑；

3.极化转换超透镜加工简单，体积小，具有较高的功率容量，可以满足高功率微波应用的需求。

附图说明

图1是本发明的总体结构示意图，其中图1(a)为本发明的三维视图，图1(b)为图1(a)AA’断面剖视图。

图2是本发明喇叭天线1的示意图，其中图2(a)为喇叭天线1的三维视图，图2(b)为图2(a)AA’断面剖视图。

图3是本发明极化转换超透镜2及其极化转换超透镜单元21的示意图，其中图3(a)为极化转换超透镜2的三维视图，图3(b)为图3(a)中圆心处极化转换超透镜单元21的放大三维视图。

图4是本发明极化转换超透镜单元21的横截面正视图。

图5是本发明极化转换超透镜2中极化转换超透镜单元21的排布规律示意图，其中图5(a)为极化转换超透镜2的组成结构示意图，图5(b)为图5(a)中Q₁(x₁,y₁)处极化转换超透镜单元21的放大图。

图6是本发明一个实施例出射波束的二维CST仿真方向图。

图7是本发明一个实施例出射波束的二维CST仿真轴比图。

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。

图1是本发明高功率微波极化转换透镜天线的总体结构示意图。如图1(a)和图1(b)所示，本发明由喇叭天线1和极化转换超透镜2两部分构成，其中喇叭天线1为圆锥喇叭天线，由第一法兰盘11、圆锥喇叭12和第二法兰盘13组成。喇叭天线1一端通过第一法兰盘11与微波源相连作为输入端口，另一端通过第二法兰盘13与极化转换超透镜2焊接作为输出端口，第一法兰盘11和第二法兰盘13分别与圆锥喇叭12的两端相连；定义本发明靠近微波源的一端(即第一法兰盘11所在的一端)为输入端，定义本发明远离微波源的一端(即极化转换超透镜2所在的一端)为输出端；喇叭天线1和极化转换超透镜2共轴，中心轴线为OO’。

图2是本发明喇叭天线1的示意图。如图2(a)所示，喇叭天线1由第一法兰盘11，圆锥喇叭12和第二法兰盘13组成，均为金属材料制成，第一法兰盘11焊接在圆锥喇叭12输入端的外壁上，第二法兰盘13焊接在圆锥喇叭12输出端的外壁上；如图2(b)所示，第一法兰盘11呈圆环状，其外直径为D₁，内直径为D₂，圆环厚度即轴向长度为t₁；圆锥喇叭12由圆波导121和圆锥波导122连接而成，其中圆波导121形状为一个圆筒，内直径等于D₂，轴向长度为t₂，波导壁厚为s；圆锥波导122与圆波导121相连一端的内直径等于D₂，远离圆波导121一端的内直径为D₃，轴向长度为l₁，波导壁厚等于s，D₃>D₂；第二法兰盘13呈圆环状，其外直径为D₄，内直径等于D₃，第二法兰盘13圆环厚度即轴向长度等于t₁。

图3是本发明极化转换超透镜2的示意图。如图3(a)所示，极化转换超透镜2由金属材料构成，整体呈圆盘状，其直径等于D₄，厚度为l₂。极化转换超透镜2由多个如图3(b)所示的极化转换超透镜单元21以蜂窝状排列组合而成，令任意一个极化转换超透镜单元21的中心轴线为O₁O₁’，O₁O₁’与OO’平行。如图3(b)所示，极化转换超透镜单元21中心钻有一个第一圆柱形通孔211，第一圆柱形通孔211半径为r，深度为l₂，第一圆柱形通孔211的中心轴线与O₁O₁’共轴。第一圆柱形通孔211内部有两个结构相同的弓形柱，分别为第一弓形柱212和第二弓形柱213，第一弓形柱212和第二弓形柱213分别通过第一支撑杆214和第二支撑杆215与第一圆柱形通孔211内壁连接，第一弓形柱212和第二弓形柱213关于O₁O₁’180°旋转对称；几何中心轴线O₂O₂’为经过第一弓形柱212矩形底面几何中心的垂线，O₂O₂’与O₁O₁’垂直。第一支撑杆214与第二支撑杆215为两个结构相同的扇环形柱，第一支撑杆214与第二支撑杆215关于O₁O₁’180°旋转对称；第一支撑杆214一个弧面与第一圆柱形通孔211内壁连接，另一个弧面与第一弓形柱212的弧面连接，从而在第一圆柱形通孔211内部支撑第一弓形柱212；第二支撑杆215一个弧面与第一圆柱形通孔211内壁连接，另一个弧面与第二弓形柱213的弧面连接，从而在第一圆柱形通孔211内部支撑第二弓形柱213；第一弓形柱212与第一支撑杆214长度均等于l₂。为了匹配出射阻抗，沿O₁O₁’方向，极化转换超透镜单元21在远离微波源的一端开有两个匹配槽，分别为第一出射匹配槽216及第二出射匹配槽218；为了匹配入射阻抗，极化转换超透镜单元21在靠近微波源的一端也开有两个匹配槽，分别为第一入射匹配槽217及第二入射匹配槽219；四个匹配槽结构相同，第一出射匹配槽216与第二出射匹配槽218关于O₁O₁’180°旋转对称，第一入射匹配槽217与第二入射匹配槽219关于O₁O₁’180°旋转对称，第一出射匹配槽216与第一入射匹配槽217关于O₂O₂’对称；第一出射匹配槽216槽深为l₂₁，l₂₁<l₂/2。

图4是本发明极化转换超透镜单元21的正视图。如图4所示，极化转换超透镜单元21横截面(即图3(b)BB’向截面)为正六边形，边长为a；第一弓形柱212横截面为弓形，半径为r₀，弦长为d；第一支撑杆214横截面为扇环形，内径为r₀，外径为r，宽度为b；第一出射匹配槽216横截面为扇环形，内外环半径分别为r及r₁，槽宽为k。

图5是本发明极化转换超透镜2中极化转换超透镜单元21的排布规律示意图。如图5(a)所示，从极化转换超透镜2的横截面来看，极化转换超透镜单元21的横截面紧密排列成一个直径为D₄的圆形，每个极化转换超透镜单元21在极化转换超透镜2中所处位置可用行数p₁和列数q₁表示。极化转换超透镜2的中心轴线为OO’，定义极化转换超透镜2中心O₃处极化转换超透镜单元21在第0行第0列，极化转换超透镜2中心O₃上侧单元所处行数为正、下侧为负，右侧单元所处列数为正、左侧为负。设极化转换超透镜2的中心O₃处为坐标原点，建立x₁-y₁固定直角坐标系，则任意一个极化转换超透镜单元21的第一圆柱形通孔211的中心在x₁-y₁平面的投影可用坐标Q₁(x₁,y₁)表示，极化转换超透镜单元21的边长a确定后，其中心投影坐标Q₁(x₁,y₁)也随之确定，且有 (q₁表示极化转换超透镜单元21在蜂窝状阵列中所处列数，p₁表示极化转换超透镜单元21在蜂窝状阵列中所处行数)。如图5(b)所示，令极化转换超透镜单元21的几何中心轴线O₂O₂’与x₁轴正向的顺时针夹角为α₁，α₁由喇叭天线1注入的具体模式确定。

实施例一：

设计的中心频率f＝14.25GHz(即输入微波源的频率为14.25GHz，对应微波波长为21.05mm)的高功率微波模式转换喇叭天线的实施例为：

喇叭天线1采用圆锥喇叭天线，其中圆锥喇叭12中圆波导121及圆锥波导122靠近微波源端的内直径D₂＝140mm，圆波导121长度t₂＝30mm，圆锥波导122远离微波源端内直径D₃＝340mm，轴向长度l₁＝703mm；第一法兰盘11外直径D₁＝170mm，第二法兰盘13外直径D₄＝370mm，第一法兰盘11与第二法兰盘13的厚度均为t₁＝10mm，波导壁厚s＝5mm；极化转换超透镜2的直径与第二法兰盘13外直径相等，均为D₄＝370mm。在该频率下，极化转换超透镜单元21横截面正六边形的边长a＝8.17mm，第一圆柱形通孔211半径r＝5.91mm，厚度l₂＝22.64mm；第一弓形柱212半径r₀＝3.75mm，弦长d＝6.23mm，高度l₂＝22.64mm；第一支撑杆214内径r₀＝3.75mm，外径r＝5.91mm，宽度b＝1.86mm；第一出射匹配槽216内环半径r＝5.91mm，外环半径r₁＝6.38mm，槽宽为k＝4.36mm。

根据上述参数所设计的中心频率f＝14.25GHz的高功率微波极化转换超透镜天线的辐射效果分别如图6与图7所示。图6为本发明实施例一出射波束的二维CST仿真方向图，其中横坐标Theta为出射俯仰角，纵坐标为天线的增益，虚线为馈源喇叭天线的辐射二维仿真方向图，实线为喇叭天线与极化转换超透镜配合后的辐射二维仿真方向图。如图6中虚线所示，喇叭天线的注入模式为TM₀₁模，其出射波束的二维远场方向图满足TM₀₁模特征，即主瓣中心为0(横坐标为0°，纵坐标为-70dB)，两侧最大(横坐标为±5°，纵坐标为20dB)，与三维空心波束对应。由于喇叭天线的注入模式为TM₀₁模，则任意一个极化转换超透镜单元的几何中心轴线O₂O₂’与x₁轴正向的夹角(可由极化转换超透镜单元中心投影坐标Q₁(x₁,y₁)及边长a求得，此处不一一列出)，即极化转换超透镜中极化转换超透镜单元的排布已完全确定。如图6中实线所示，喇叭天线配合极化转换超透镜后，出射波仍为空心波束，说明极化转换超透镜不会改变馈源的辐射口面分布。同时，在保持主瓣增益不变的基础上(横坐标为±5°时，虚线及实线的纵坐标值均保持在20dB)，高功率微波极化转换透镜天线的副瓣电平明显小于馈源喇叭天线(横坐标为±15°时，实线的纵坐标值比虚线的纵坐标值小5dB)，说明极化转换超透镜可以提高馈源的出射性能。

图7给出了本发明实施例一出射波束的二维CST仿真轴比图，其中横坐标Theta为出射俯仰角，纵坐标为天线的轴比，虚线为馈源喇叭天线的辐射二维仿真轴比图，实线为喇叭天线与极化转换超透镜配合后的辐射二维仿真轴比图。从图7可以看出，加载极化转换超透镜后，出射波主瓣轴比由40dB下降为2dB左右(横坐标为±5°时，实线的纵坐标值为2dB，虚线的纵坐标值为40dB)，说明极化转换超透镜能够实现线极化波到圆极化波的转换。

当喇叭天线注入模式为TE₀₁模时，依据对极化转换超透镜单元进行排布后，同样可以达到图6与图7所示的实施效果。

在其他中心频率f处，根据本发明设计的喇叭天线及极化转换超透镜结合后均可以达到图6与图7所示的实施效果。

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。