高功率容量Vlasov天線設計*

羅 康 孟 進 朱丹妮 袁玉章 王海濤 崔言程

（海軍工程大學艦船綜合電力國防科技重點實驗室 武漢 430033）

1 引言

基于旋磁非線性傳輸線和開關振蕩器的高功率微波源，輸出通常為同軸TEM模，在同軸內(nèi)導體的末端設置過渡結(jié)構(gòu)易將同軸TEM模轉(zhuǎn)換為圓波導TM01模，該模式直接輻射時方向圖均是軸向為零的旋轉(zhuǎn)對稱結(jié)構(gòu)（旁瓣電平高、能量分散、增益低），通常用于HPM的測量天線。可采用Vlasov天線連接圓波導TM01的末端，形成有一定方向性的空間輻射場［1～3］。

俄羅斯科學家Vlasov于1973年首先提出Vlasov天線［4］，其結(jié)構(gòu)簡單、緊湊而且有效，很快在高功率微波領域獲得廣泛應用［5～13］。目前，Vlasov型天線已有多種變形，如Step-Cut型、Helix-Cut型和Bevel-Cut型。由于具有模式轉(zhuǎn)換的作用，也稱為模式轉(zhuǎn)換天線。為了克服Vlasov輻射器由于截面突變，易于出現(xiàn)高功率擊穿的問題，Nakajima M等人提出了一種端口為斜切形的輻射器［10］。其原理與階梯形輻射器類似，但在一定程度上克服了階梯形輻射器的擊穿問題，可以應用于更高功率的場合。

然而，Vlasov初級輻射器的增益通常由仿真經(jīng)驗獲得，分析效率較低，并且通過密封充高壓氣體提升其功率容量的研究未見公開報道。本文通過理論分析指出，Vlasov初級輻射器的增益可通過相同口徑的圓錐喇叭天線近似評估。除Vlasov天線斜切角附近外（可采用倒角提高功率容量），天線同軸部分功率容量明顯低于圓波導部分。采用介質(zhì)板將兩邊隔開，分別充0.3MPa、0.1MPa的SF6，使得整個天線功率容量超過211MW，避免了斜切口處高壓不易密封和對電磁波的遮擋。

2 Vlasov天線理論分析

設計了如圖1所示的Vlasov天線，共由6部分組成。其中，A區(qū)為連接微波源的同軸TEM傳輸段；B區(qū)為阻抗變換器；C區(qū)為變換后的同軸TEM傳輸段；D區(qū)為同軸TEM到圓波導TM01模式轉(zhuǎn)換器；E區(qū)為圓波導TM01模式傳輸段；F區(qū)為圓波導TM01模式輻射段，并通過G區(qū)反射板在遠場產(chǎn)生方向圖傾斜向下的定向輻射。

圖1 Vlasov天線原理示意圖

根據(jù)表1，由微波源輸出的微波頻率范圍(f1,f2)，確定E區(qū)圓波導的半徑re：

表1 Vlasov天線設計時的典型模式

此時，Vlasov天線中心頻率fc處的增益可參考圓錐喇叭天線：

則C區(qū)同軸內(nèi)導體半徑rc：

C區(qū)同軸傳輸線的特性阻抗Z為

A區(qū)同軸傳輸線的內(nèi)外導體的半徑ra1、ra2由微波源決定，其特性阻抗Za為

為使得B區(qū)阻抗變換器盡可能短，且對微波的傳輸、反射特性盡可能小，則應使得Zc≈Za。

為進一步提高Vlasov天線增益，在斜切口上方設置一個焦線位于波導軸線上的拋物柱面，即構(gòu)成單反射面Vlasov天線，反射面的焦線位于Vlasov天線的軸線上，拋物線方程為

其中，F(xiàn)為焦距，則焦線與y軸重合。通常選取F≈2re2（re2為E區(qū)圓波導外半徑）。

3 Vlasov天線仿真分析

在CST中建立了Vlasov天線的仿真模型，如圖2所示。天線輻射器部分軸向最大尺寸為Ф 100mm，長度760mm；反射面寬度500mm，長度780mm；天線總長度1100mm。可通過折疊反射面的形式，以減小軸向尺寸；或者沿軸向滑動拋物面的形式，以減小天線總長度。與此同時，反射面可采用碳纖維材料，或者在介質(zhì)板內(nèi)側(cè)鍍銅，而非采用金屬材質(zhì)的反射面，以減小天線重量。反射面的加工方式可以是注模、3D打印等。

圖2 Vlasov天線仿真模型

3.1 傳輸與輻射特性

端口饋入TEM波，C區(qū)為同軸TEM模式，E區(qū)則轉(zhuǎn)為圓波導TM01模式，在2GHz～2.5GHz頻帶范圍內(nèi)的反射系數(shù)小于-14dB（電壓駐波比1.5），如圖3所示。

圖3 Vlasov天線傳輸特性

Vlasov天線遠場仿真結(jié)果如圖4所示，當E區(qū)為TM01模式且為圖1中斜切時，Vlasov初級輻射器可參考圓錐喇叭天線。因此，Vlasov天線E面為φ=90°對應的面，H 面為θ=132°對應的面，增益為18.4dB。

如圖5所示，為Vlasov天線在軸向切面的電場分布，A區(qū)、B區(qū)、C區(qū)均為同軸TEM模式，E區(qū)為圓波導TM01模式并經(jīng)F區(qū)、G區(qū)向外輻射。A區(qū)同軸內(nèi)外導體尺寸均小于B區(qū)、C區(qū)，根據(jù)對同軸線功率容量的分析，Vlasov天線的最大電場將位于A區(qū)同軸內(nèi)導體附近?？紤]到Vlasov輻射器斜切面不宜做較大氣壓的密封，故在E區(qū)用Teflon介質(zhì)板和法蘭盤將天線隔開，并在左、右半部分分別充3個（0.3MPa）、1個（0.1MPa）大氣壓的SF6，對應的擊穿場強分別為36MV、12MV，仿真的左、右兩側(cè)最大電場分別為1750V/m、500V/m，由此計算得左、右兩側(cè)功率容量分別為211MW、288MW。取最小值，則該Vlasov天線的功率容量為211MW。圖2中Vlasov輻射底部設有兩個充氣孔，仿真表明對天線性能影響較小。與此同時，在同軸導體末端以及Vlasov輻射器斜切口附近出現(xiàn)了場增強，為提高天線功率容量，均做了倒角處理。

圖5 Vlasov天線場分布

3.2 功率容量分析

在E區(qū)設置了Teflon介質(zhì)板，其相對介電常數(shù)εr=2.1。較厚的介質(zhì)板有利于承受較高的氣壓，但對傳輸特性具有一些影響；較薄的介質(zhì)板對傳輸特性影響較小，卻不耐高壓。綜合考慮，該天線采用厚度為20mm的介質(zhì)板，如圖6所示，在1MPa、0.3MPa下的應力形變分別為0.781mm、0.467mm。因此，該密封板在3個大氣壓下的應力形變較小，對微波的傳輸?shù)挠绊懡瓶珊雎?。且即使采?MPa（10個大氣壓）的SF6，其形變也較小，此時功率容量將進一步增大。

圖6 密封板高壓仿真結(jié)果

4 結(jié)語

本文首先對Vlasov天線的傳輸與輻射特性進行分析，指出初級輻射器的增益可通過相同口徑的圓錐喇叭天線近似評估，為進一步提高天線增益，設置了拋物柱面反射板。由于Vlasov天線最大電場位于同軸內(nèi)導體的外表面，考慮到其斜切口不易進行高壓密封，提出了在圓波導傳輸區(qū)用介質(zhì)板隔開，并在左、右兩側(cè)分別充0.3MPa、0.1MPa的惰性氣體。天線功率容量大于211MW，阻抗帶寬覆蓋2GHz～2.5GHz，增益約18.4dBi。