[发明专利]宽带同轴高功率微波TEM‑TM01模式转换天线

摘要

本发明属于高功率微波技术领域，具体涉及一种宽带同轴高功率微波TEM‑TM01模式转换天线，尤其是一种工作在高功率水平的TEM‑TM01模式转换天线，包括同轴内导体、第一支撑杆组合、第二支撑杆组合、第三支撑杆组合、同轴外导体、张角喇叭、介质透镜。现有技术相比，由于本发明结构简单，反射更小，本可使功率容量大幅提高，传输效率高的频带宽度得到较大提升，可以应用于高功率微波模式转换天线辐射输出系统中。

主权项

一种宽带同轴高功率微波TEM‑TM01模式转换天线，其特征在于：所述模式转换天线包括同轴内导体、第一支撑杆组合、第二支撑杆组合、第三支撑杆组合、同轴外导体、张角喇叭、介质透镜；所述同轴内导体类似于一口平放的撞钟，位于模式转换天线微波输入口一端，由第一、第二、第三组支撑杆组合支撑，所述支撑杆组合再由同轴外导体支撑；所述同轴外导体一端与同轴内导体配合，作为微波的同轴注入端口，另一端连接张角喇叭，所述张角喇叭由三段张角不同的过渡段组成，分别为第一过渡段、第二过渡段、第三过渡段，第三过渡段的末端连接介质透镜；高功率微波由同轴内外导体组成的同轴注入端口注入，通过三组支撑杆后在同轴内导体的球形头锥处转换为圆波导TM01模式，再经张角喇叭通过介质透镜辐射到自由空间；所述宽带同轴高功率微波TEM‑TM01模式转换天线结构尺寸满足以下条件：a.同轴内导体外半径r和同轴外导体的内半径R应满足：其中f为高功率微波工作频率，对于所述宽带同轴高功率微波模式转换天线而言，需要保证工作频率范围f1<f<f2均满足公式(1)，f1为本发明所述宽带同轴高功率微波TEM‑TM01模式转换天线的最低工作频率，f2为本发明所述宽带同轴高功率微波TEM‑TM01模式转换天线的最高工作频率，c为光速；b.内导体头锥由三段半径逐渐减小的导体连接而成，分别为头锥第一渐变段、头锥第二渐变段、头锥第三渐变段，头锥第一渐变段与头锥第二渐变段为线性渐变段，头锥第三渐变段由一半球形帽构成；头锥第一渐变段半径保持不变，等于同轴内导体的外半径r，轴向长度满足：在第一渐变段与头锥第一过渡段结合处倒角，倒角半径满足：头锥第二过渡段起始半径等于同轴内导体的外半径r，终点半径满足：头锥第二过渡段轴向长度满足：头锥第三过渡段起始半径等于r01，终点半径Rd02＝Rd01，头锥第三过渡段轴向长度满足：ln03≥1.5Rd01  (6)头锥第三过渡段终点倒角，半径为Rd02；c.三组支撑杆结构完全一致，每组支撑杆均由m根在同一平面内沿内外导体圆周角向均匀排列的圆柱形金属杆组成，圆柱金属杆柱体轴线方向与同轴内导体半径方向重合，且有：m≥3  (7)实际工作中应选择满足(1)式和(2)式，以及保证功率容量Pmax的最小m值，实际功率容量Pmax可用CST电磁仿真计算软件根据(8)式计算得到式中，Emax为CST电磁仿真计算软件计算得到该模式转换天线内最大场强值，单位为V/m；各支撑杆组合相应的圆柱形金属杆轴线位于同一平面，且互相平行；各组支撑杆相应的圆柱形金属杆直径Rs小于最小工作波长的1/20，即：第一支撑杆组合与同轴注入端口口面的距离l0应满足：第一支撑杆组合与第二支撑杆组合之间的距离l1满足：第二支撑杆组合与内导体头锥之间的距离满足：式中，l2为第二支撑杆组合与第三支撑杆组合的距离，ln0为第三组支撑杆与内导体头锥底部之间的距离，第三支撑杆组合与内导体头锥之间的距离ln0应满足以下条件：第三支撑杆组合与同轴外导体和张角喇叭连接一端口面的距离满足：d.张角喇叭的第一过渡段轴向长度满足：第二过渡段轴向长度满足：第三过渡段轴向长度满足：第一过渡段起始半径与同轴外导体内半径R相同，第二过渡段的终点半径R02由CST软件根据天线所需远场增益确定，第一过渡段终点半径满足：第三过渡段半径等于R02；e.介质透镜的厚度lt满足：式中ε为介质透镜所选用介质的介电常数。