低成本高功率缝隙天线设计

低成本高功率缝隙天线设计

罗维雄 胡 广 王豪杰 高 磊

贵州航天南海科技有限责任公司

摘要：目前高功率微波天线正在接受来自GW级别的高功率微波源的挑战，然而，传统阵列天线设计方法受限于功率容量，本文在此背景下开展低成本高功率缝隙阵列天线设计，提出了一种双开缝的方式，提高了功率容量，降低了制造成本，天线增益为24.4dB，功率容量21MW，该天线适用各种类型的高功率微波武器系统。

1. 引言

通过天线辐射高功率微波使能量在特定方位空间内叠加聚焦，对电子系统造成混乱、降级、毁伤等软杀伤效果的系统，被称为高功率微波武器。高功率微波武器具有战时快速反应、使用成本低、群杀伤、无污染、全天候待命等特点，因此，在军事领域具有非常高的应用价值。例如，车载微波拒止武器[2]发射高功率微波照射非法武装人员，使其瞬间失去行动能力。Krasukha-2系统[3]可以对几千米外的侦察机、预警机实施强电磁干扰的车载高功率微波武器。高功率微波武器极高的应用价值推动着高功率微波天线的高质量发展。传统的阵列天线受限于T/RZ组件，移相器、功分网络的低功率容量限制，面临被高功率击穿的风险，难以满足高功率微波的要求。因此，追求更高效率和高功率的高功率微波天线是最近几年国内研究的热点。该文[4]将缝隙天线同时应用于馈电网络和辐射网络，利于降低了复杂性，减少体积，实现较高辐射效率。新型高功率微波宽带紧耦合偶极子阵列天线[5]，尺寸160 mm×320 mm，在SF6气体中，功率容量可以达到12M。虽然功率容量有一定的提升，但是难以满足大功率输出要求。本文基于实际应用，设计一款低成本高功率缝隙阵列天线，提出了一种双开缝的方式，提高功率容量，降低成本。

2. 基本原理

图2.1 缝隙波导示意图和等效电路

波导宽边上刻蚀的缝隙对表面电流进行切割，当x>0时，纵向电流会产生激励，同时向天线外部辐射能量，当x=0时，缝隙在宽边的正中心处，表面电流不会与缝隙形成激励，上述为宽边开缝。图2.1宽边纵向缝隙和对应的等效电路。宽边纵向缝隙能够等效成一个并联的导纳，其归一化的电导表达式为[6]：

                 2-1

式中，a表示波导的宽边，b为波导的窄边，λ为真空中的波长，g为导纳，x是缝隙中心到波导中心的距离。

3. 天线设计与分析

根据第二节的论述，开展平面缝隙天线设计。为了得到同相激励，缝隙需切割纵向表面电流，横向领近的缝隙应当对称波导中心放置，呈交替排列，缝隙初始长度设置为λ/2，同一列的缝隙间距为λg/2(λg为波导波长)。为了避免简并模式，保证内部模式纯度和场分布均匀，腔内高度设计一般低于半波长，谐振腔高度不宜过低，否则会导致腔内电场强度上升，功率容量下降。再基于电磁仿真软件进行电磁建模和设计参数优化，设计c波段中心频率为 4.3GHz的低成本高功率缝隙天线。如图3.1所示。建立模型如下(a=2.5mm b=454mm c=328mm e=12.5mm f=25.5mm g=64mm,h=42mm,l=448mm)

图3.1 双矩形倒角缝隙和天线构成图

图3.1为双矩形倒角缝隙和天线构成图。天线主要由双矩形倒角缝隙，谐振腔体、馈电组成。采用了矩形双开缝的形式来辐射更多能量，降低电场强度，提高功率容量。矩形缝隙的四角做倒角处理，利于车床加工，降低成本。

(a)高功率缝隙阵列天线电场强度分布图(b)天线增益图

图3.2 高功率缝隙阵列天线电场强度分布图与天线增益

图3.1（a）为高功率缝隙阵列电场强度分布图。从图中得到最大电场强度1949V/M，在4.3GHz的工作频点下，按照真空击穿场强55.2×106V/m计算，能实现功率容量190MW，按照SF6击穿场强9×106V/m计算，能实现功率容量21MW。图3.2（b）为高功率缝隙阵列天线增图。增益24..42dB，交叉极化为-58dB表现出良好的交叉极化。根据天线口径效率计算公式[6]：

                              3-1

Ay为天线口径的有效面积，η为天线口径效率，λ为频率波长，G为天线增益。我们依据公式计算Ay为天线有效面积，缝隙天线中是内腔面积(484mm*348mm)，计算得到口径效率为94.6%。

4. 结论

本文提出和设计了一种低成本高功率缝隙阵列天线，并进行了数值仿真。仿真结果表明，阵列天线内腔尺寸为484mm*348mm的天线在真空中和SF6气体功率容量分别达到了130MW和21MW，天线增益为24.42dB，口径效率为94.6%。此阵列天线为实现低成本、高效率，高功率微波武器系统提供了天线技术参考。

参考文献

[1] 蒙林,李天明,李浩.国外高功率微波发展综述[J].真空电子技术,2015,57(2):8-12

[2] S.LeVine.The active denial system.a revolutionary,non-lethal weapon for today’s battle-field[R].USA:Center for Technology and National Security Policy,National Defense Univer-sity,2009.

[3] 武晓龙,苏党帅.国外高功率微波武器技术发展概览[J].军事文摘,2017,2(11):19-23

[4] 刘良,余川,杨瑜等. Ka波段高效率高功率间隙波导缝隙阵天线设计[C]中国电子学会.2021年全国天线年会论文集, 2021，2021:3

[5] 秦洪才,袁成卫,宁辉等.高功率平板波导螺旋阵列天线设计[J].强激光与粒子束,2021,33(02):52-56

[6]邓世露. 低副瓣波导缝隙阵列天线研究与设计[D].西南科技大学,2023