基于慢波结构的高功率同轴馈线设计

基于慢波结构的高功率同轴馈线设计

王 娟 吴永刚 宋 军 林 琦

贵州航天南海科技有限责任公司

摘要：本文提出了一种新的馈线设计方法，相比于传统的同轴馈线，该同轴馈线对同轴探针的两端进行加粗、变形的改进，保证良好的反射系数，又防止了高电场击穿。电磁仿真计算得到在4.28GHz-4.31GHz中VSWR<2,真空功率容量954MW。加入了慢波结构，实现任意口径下的模式激励。此同轴馈线适用高功率微波传输系统。

关键词：同轴馈线 慢波结构 高功率 反射系数

一、引言

高功率同轴馈线是连接天线与波导，是高功率微波传输系统的重要部分。目前，国内外少有高功率微波同轴馈线的研究，限制于馈线与波导的功率容量，单个相控阵的辐射单元反射功率有限，不利于高功率微波系统的发展和应用[1]。为了适配固态高功率微波源的发射功率，设计一款高功率微波同轴馈线是非常重要的。对于同轴馈线设计，主要考虑两个问题[2]：一是良好的阻抗匹配，以免影响天线的辐射效率。二是避免高电场集中，影响工作效率，或者发生电场击穿现象。为了解决上述两个问题，同轴探针的两端进行加粗，变形改进，既保证良好的反射系数和辐射性能，又防止高电场击穿，满足现代高功率微波武器系统的实际应用需求。

二、基础理论

2.1 同轴线理论

同轴波导以圆柱铜棒为作为内导体，同心铜管为外导体，可以将电磁波无辐射损耗引导传输到天线接口处，是一种双导体传输系统。它可以传输TEM波、TM模、TE模。给出同轴线的第一次高次模即可得到主模TEM模单模的工作上限，若同轴线的第一个高次模是TE11模，其截止波长[3]

                                         2-1

要保证单模工作，而且频带近可能宽，b是同轴线的外导体半径，a是同轴线内导体的半径。要满足

                   2-2

保证功率容量尽可能大和衰减近可能小，以b/a为变量，保持b不变，求两者的极值得

                 2-3

满足上述，本文取b/a=2.3。

2.2 慢波理论

为了适应各种路基、海基、空基平台，平板缝隙天线需要加载慢波结构对电磁波进行调制，以激励出任意模式。慢波理论如下图1所示

图1 慢波理论示意图和结构

在z>0的区域1中，仅考虑具有纵向场分量的TM波，由于z=H处有短路边界条件，因此场沿z轴方向的分布为双曲函数，而在 0>Z>-h的区域2中，可以看成是由两平板并在z=-h处短路的平板传输线。根据场匹配法以及z=0处场和阻抗连续条件，即慢波系统的色散方程如下[5]：

                               2-4

其中、、、、为慢波系数

谐振腔在加入慢波结构可得:

三、分析与仿真结果

为了方便设计与后续加工测试工作，如图所示，本文选用50欧姆、标准SMA接口的常规同轴波导转换器和同轴馈线、缝隙天线一起进行电磁仿真计算。波同转换连接同轴馈线，同轴馈线连接谐振腔体，协同慢波结构激励出任意模式，缝隙天线向外辐射能量。仿真得到圆柱探针的电场强度为3000V/m，不利于高功率微波技术应用。对同轴探针的两端进行加粗，变形的改进，既保证良好的反射系数和辐射性能，又防止了电场击穿。改进之后，电场强度变成1683V/，如图2（a）所示。真空中的功率容量为954MW。慢波结构的同轴馈线进行了改进，根据慢波理论的理想条件：不考虑横方向的场分量的TM波。减少慢波结构横向结构，降低对纵向场分量的TM波的扰动，提升口径效率。如图2(b)所示改进同轴馈线口。

图3（a）为改进前后的增益方向图，改进之前增益为23.8dB,改进之后增益为24.7dB，改进结构之后，增益提示0.9dB。对上述整个系统进行阻抗匹配仿真计算，如图3(b)所示，慢波结构的高功率同轴馈线连接天线与波导同轴转换器，表现出良好的阻抗匹配。在4.3GHz VSWR=0.3，4.28GHz-4.31GHzVSWR<2。

（a）改进中心柱体            （b）改进同轴馈线口

图2 馈线改进（a）改进中心柱体（b）改进同轴馈线口

(a)改进前后增益方向图             (b)系统VSWR

图3天线电磁仿真参数

小结

本文基于慢波结构对同轴馈线进行了改进，删减了慢波结构横向结构，同时也对馈电探针的两端进行加粗，变形，既保证良好的反射系数和辐射性能，又防止了电场击穿。慢波结构的高功率同轴馈线连接天线与波导同轴转换器,系统表现良好阻抗匹配，同时，功率容量达到954MW。

参考文献

[1]刘嵘,吴鸿超,王乃志等. 一种高功率微波同轴波导变换器设计[C].中国电子学会.2022年全国微波毫米波会议论文集

[2]邓洪. 开槽波导及同轴线传输特性[D].四川师范大学,2009.

[3]倪大海,陈坤.基于基片集成同轴线的6～18 GHz功分器设计[J].舰船电子对抗,2020,43(06)

[4]吴传江. 基于子阵技术的高功率微波阵列天线的研究与分析[D].电子科技大学,2023.