高功率近场卡塞格伦天线的设计

【高功率近场卡塞格伦天线设计详解】 高功率近场卡塞格伦天线是一种用于高功率微波（HPM）传输的特殊天线类型，其峰值功率超过100毫瓦，工作频率范围在1至30GHz之间，对应的波长介于300至10毫米。在实际工程应用中，设计此类天线面临的主要挑战是如何在有限的空间内实现高性能，同时确保副面绕射损失小且副面电平低，以保持主瓣增益。 设计的关键在于馈源的选择和天线结构的优化。文中提出了一种内壁光滑的指数型多模喇叭作为馈源，这种馈源能够满足高功率容量需求，同时具有良好的辐射特性。内壁光滑的指数型多模喇叭加载介质透镜，能够将辐射转换为平面波，从而有效地照射到近场卡塞格伦天线的副面上，减少副面漏射，提高效率。 指数型多模喇叭的工作原理基于激发高次模，通过调整指数曲线参数实现波束赋形，从而产生旋转轴对称的方向图，减少交叉极化水平。其结构参数包括输入端圆波导直径、喇叭口面直径、输入端圆波导长度和指数型喇叭部分长度。通过电磁仿真软件优化这些参数，可以得到满足特定需求的指数型多模喇叭设计。 介质透镜的应用基于费马原理和斯涅尔定律，以双曲面形状设计，使得微波射线经过一次折射即可实现波前的平直化。双曲型介质透镜由一个旋转双曲面和一个平面组成，其几何关系决定了透镜的焦距和厚度。设计过程中需先确定喇叭的相位中心，然后根据喇叭口径大小和需要的折射效果来选取合适的透镜材料和焦距。 功率容量的分析涉及到馈源最大功率与介质透镜表面电场的关系。通过计算可以预测在最大输入功率下，介质透镜表面的电场强度，以确保在空气击穿阈值之上，避免短脉冲微波导致的空气击穿问题。 近场卡塞格伦天线的主、副面设计是天线性能的关键。天线采用抛物面结构，以实现从馈源发出的平面波经过两次反射后的波前依然保持平直，从而达到理想的辐射效果。这种结构设计有助于优化天线的增益和方向性，同时平衡有限空间与高性能指标之间的矛盾。 高功率近场卡塞格伦天线设计涉及了多个方面的专业知识，包括馈源设计、介质透镜应用、功率容量分析以及主副面结构的优化。通过综合运用这些技术，可以制造出能够在高功率微波环境下高效工作的天线系统。