高功率近场卡塞格伦天线的设计

透镜，若喇叭的半张角为θ0，喇叭口径为D，则由几何关系可以求得喇叭透镜焦点到透镜第二个面(平面)的距离为：

　　通过式(3)和式(4)进一步可求得透镜双曲面的顶点到焦点的距离(即焦距f)和透镜厚度d。

　　对于透镜的设计原则：首先找出喇叭的相位中心，确定F的值；进而根据D值，确定θ0的值；最后根据需要选择透镜的材料，并确定f值。

　　1．3 功率容量的分析

　　通过计算可以求得对应输入功率为1 W时介质透镜外表面的最大电场Emax。由于功率与电场的幅值平方成正比，当馈源输入的最大功率为Pimax时，可以得到介质透镜外表面的电场为：

　　一般认为空气中连续波电场击穿阈值为30 kV／cm，因此在馈源输出功率满足式(5)的情况下，口径上不会发生空气击穿现象。事实上，目前的高功率微波多为几十纳秒的短脉冲微波，在短脉冲情况下大气的击穿阈值要大于30 kV／cm，因此从介质透镜表面的空气击穿角度考虑，该馈源的功率容量大于Pimax。

　　1．4 近场卡式天线的主、副面

　　图4为近场卡塞格伦天线结构示意图。

　　从P点出发的人射线经副面抛物面和主面抛物面依次反射后，到达平面波前上各点的波程都相等。因而在馈源所辐射的平面波前，经过两次反射后仍然呈现为平面波前，呈现同向场，使近场卡式天线同样具有锐波束、高增益的性能。图4中：Dm为主面口径，水平方向投影圆的直径；Vs为副面口径，水平方向投影圆的直径； F为主面焦距；f为副面焦距；θ为主、副面半张角。

　　设计步骤如下：

　　(1)确定主面、副面口径Dm和Vs，双反射面天线一般取Vs／Dm为0．08～0．15。

　　(2)确定焦径比k，通常取k为0．3～0．45。

　　(3)主面焦距为：

　　(4)主、副面半张角为：

　　2 设计及实验结果

　　根据指标要求，利用电磁仿真软件优化设计并加工了一个X频段的近场卡塞格伦天线，对其电性能进行实际测量，比较了馈源的仿真结果和测量结果。其中，该天线系统的各个部分尺寸如下：

　　指数型多模喇叭尺寸：d1=0．05 m，d2=0．266 m，L1=0．013 m，L2=0．507 m；指数方程参量：a=1，c=0，k=0．333，g=3。

　　双曲型介质透镜尺寸：F=0．5 m，f=0．465 m，n=1．5，θ0=14．9°，介质透镜的材料选用聚乙烯。

　　近场卡式天线主、副面尺寸：Dm=2．2 m，Vs=0．332 m，F=0．836 m，f=0．126 m，θ=66．58°。

　　如图5所示是近场卡塞格伦天线实物。该天线在微波暗室进行测量。由图6可以看出，介质透镜外表面的最大电场小于110 V／m，当输入功率为600 mW时，满足式(5)，因此该馈源的功率容量大于600 mW。

　　图7和图8分别示出加载介质透镜的指数型多模喇叭E面和H面的仿真结果和测量结果。通过对比可以看出，实测结果与仿真结果吻合良好，说明馈源设计符合要求。

　　图9和图10分别给出设计的近场卡塞格伦天线水平面(E面)方向图和俯仰面(H面)方向图的测量结果。测量结果表明，设计的天线电性能完全满足指标要求。这也说明指数型喇叭是一种高效率馈源，而且具有高功率容量和轴对称的方向图，适合用来作为高功率近场卡塞格伦天线的馈源。

　　3 结 语

　　系统地给出了高功率近场卡塞格伦天线的设计方案。针对高功率微波天线对馈源高功率容量和良好辐射特性的要求，选择用内壁光滑的指数型多模喇叭。对多模喇叭口面加载介质透镜，以满足对天线副面进行平面波照射。通过优化设计，最终获得了功率容量大于600 mW的X频段高功率近场卡塞格伦天线，且实测结果与仿真结果吻合良好。由此证明该设计方案的可行性。