高功率微波（High Power Microwave，HPM）或稱(chēng)高能微波，一般指峰值功率在1 00 mW以上，工作頻率在1～30 GHz（相應(yīng)波長(zhǎng)為300～10 mm）的電磁波。研究表明，當(dāng)微波功率密度達(dá)O．01～1μW，／cm2時(shí)，可使工作在相應(yīng)頻段上的雷達(dá)和通訊設(shè)備受到干擾，不能正常工作；當(dāng)功率密度達(dá) O．01～1 W／cm2時(shí)，可使雷達(dá)、通信、導(dǎo)航等設(shè)備的微波器件性能降低或失效；當(dāng)功率密度達(dá)10～100 W／cm2時(shí)，可使工作在任何波段的電子元器件失效，導(dǎo)致武器設(shè)備喪失功能，造成機(jī)毀人亡的后果。因此，對(duì)高功率近場(chǎng)卡塞格倫天線系統(tǒng)的研究是很有必要的。

在高功率微波武器系統(tǒng)中，天線的主要作用就是把輻射的高功率微波電磁能量聚集成極窄的波束，使微波能量高度集中，從而以極高的能量強(qiáng)度發(fā)射出去照射目標(biāo)，破壞武器系統(tǒng)和損傷作戰(zhàn)人員。目前，國(guó)內(nèi)外通常選擇雙反射面天線作為該系統(tǒng)的基本形式。高功率微波天線與常規(guī)天線最主要的區(qū)別在于其功率容量。為了避免出現(xiàn)打火現(xiàn)象，將排除環(huán)焦天線和格里高利天線，原因在于其固有結(jié)構(gòu)會(huì)因二次聚焦而出現(xiàn)嚴(yán)重的空氣擊穿，故選擇近場(chǎng)卡塞格倫天線形式。

在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中，受工作平臺(tái)尺寸的限制，為了獲得好的性能指標(biāo)需要平衡兩個(gè)矛盾：

（1）高功率與高指標(biāo)之問(wèn)的矛盾，即高功率要求饋源口徑尺寸很大，就意味著副面的尺寸不能太小，否則會(huì)有漏射，故而會(huì)降低主面的有效面積；

（2）有限空間與高指標(biāo)之間的矛盾，天線的主面尺寸和副面尺寸不能同時(shí)滿足副面繞射損失足夠小和副面電平足夠低的要求，因此主瓣增益會(huì)有損失。

本文系統(tǒng)地給出了高功率近場(chǎng)卡塞格倫天線的設(shè)計(jì)。利用內(nèi)壁光滑的指數(shù)型多模喇叭滿足高功率微波天線對(duì)饋源高功率容量和良好輻射特性的要求。內(nèi)壁光滑的指數(shù)型多模喇叭加載介質(zhì)透鏡可以實(shí)現(xiàn)對(duì)近場(chǎng)卡塞格倫天線副面的平面波照射。最后，在平衡兩個(gè)矛盾的基礎(chǔ)上通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)獲得了X頻段的高功率近場(chǎng)卡塞格倫天線結(jié)構(gòu)尺寸，其理論功率容量大于600 mW。實(shí)測(cè)結(jié)果與仿真結(jié)果吻合良好，證明該設(shè)計(jì)方案的可行性。

1 近場(chǎng)卡式天線模型的分析

如圖1所示，近場(chǎng)卡塞格倫天線是卡塞格倫天線的一種特例，它用拋物面作為副面，用平面波照射副面，構(gòu)成這種天線的主面和副面共焦于O點(diǎn)。多模喇叭加載介質(zhì)透鏡作為饋源，該饋源能夠輻射出平面波。該饋源有如下優(yōu)點(diǎn)：

（1）軸向輻射，方向性好；

（2）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，功率容量高；

（3）利用平面波照射，副面的漏射小；

（4）便于密封，喇叭口徑上的介質(zhì)透鏡同時(shí)可以作為密封罩。

1．1 指數(shù)型多模喇叭

多模喇叭的物理機(jī)制可表述如下：通常由于主模為TE11模的喇叭，其E面方向圖比H面方向圖窄，不能形成旋轉(zhuǎn)軸對(duì)稱(chēng)的輻射方向圖，其峰值交叉極化電平也必然高。TE1n模對(duì)H面和E面的方向圖都有貢獻(xiàn)，而TM1n模上對(duì)E面方向圖有貢獻(xiàn)，對(duì)H面方向圖沒(méi)有貢獻(xiàn)。如果在主模饋源中引入產(chǎn)生高次模TM11及其他高次模的裝置，而且合適地配置高次模與主模的相對(duì)相位，充分利用TM1n模只對(duì)E面方向圖有貢獻(xiàn)，而對(duì)H面方向圖沒(méi)有貢獻(xiàn)這一特性，就可獲得旋轉(zhuǎn)軸對(duì)稱(chēng)的方向圖，實(shí)現(xiàn)等化波束的目的。

內(nèi)壁光滑的指數(shù)型曲線喇叭工作的基本機(jī)制是：隨著喇叭曲線曲率的不斷變化會(huì)不斷激勵(lì)出高次模，這樣就可以通過(guò)曲線對(duì)波束進(jìn)行賦形，最終使喇叭輻射的方向圖具有旋轉(zhuǎn)軸對(duì)稱(chēng)性。

指數(shù)型多模喇叭的結(jié)構(gòu)如圖2所示。其主要參數(shù)有：輸入端圓波導(dǎo)的直徑d1、指數(shù)型喇叭口面直徑d2、輸入端圓波導(dǎo)的長(zhǎng)度L1和喇叭指數(shù)線部分的長(zhǎng)度L2。其中，指數(shù)曲線滿足下面的指數(shù)方程：

指數(shù)型多模喇叭設(shè)計(jì)的原則是改變指數(shù)方程參數(shù)對(duì)波束進(jìn)行賦形，最終使喇叭輻射的方向圖具有旋轉(zhuǎn)軸對(duì)稱(chēng)性。如果令a=1和c=0，那么指數(shù)方程的可調(diào)參量就剩下k和q。利用電磁仿真軟件可以完成對(duì)指數(shù)型多模喇叭進(jìn)行仿真優(yōu)化，確定指數(shù)方程中的k和q，得到滿足要求的指數(shù)型多模喇叭。

1．2 雙曲型介質(zhì)透鏡

介質(zhì)透鏡喇叭天線是一種傳統(tǒng)的微波天線，獲得了廣泛的應(yīng)用。考慮到工程上的可實(shí)現(xiàn)性以及功率容量問(wèn)題。設(shè)計(jì)緊湊型高功率饋源，首選介質(zhì)透鏡。介質(zhì)透鏡的折射率都大于1，是根據(jù)幾何光學(xué)的兩個(gè)基本原理設(shè)計(jì)的：

費(fèi)馬原理：光或電磁波沿著光程為極值的路程傳播；

斯奈爾定律：光或電磁波通過(guò)兩種不同介質(zhì)邊界面時(shí)的折射率定律為：

式中：θi為入射角；θt為折射角；n為第二種介質(zhì)相對(duì)于第一種介質(zhì)的折射率。

圖3所示為雙曲型介質(zhì)透鏡示意圖，它是一種單面透鏡，即只有一個(gè)面使微波射線發(fā)生折射，其第一個(gè)面（照明面）為旋轉(zhuǎn)雙曲面，第二個(gè)面為平面。其中，旋轉(zhuǎn)拋物面方程為：

對(duì)于要加載在喇叭口徑上的介質(zhì)透鏡，若喇叭的半張角為θ0，喇叭口徑為D，則由幾何關(guān)系可以求得喇叭透鏡焦點(diǎn)到透鏡第二個(gè)面（平面）的距離為：

通過(guò)式（3）和式（4）進(jìn)一步可求得透鏡雙曲面的頂點(diǎn)到焦點(diǎn)的距離（即焦距f）和透鏡厚度d。

對(duì)于透鏡的設(shè)計(jì)原則：首先找出喇叭的相位中心，確定F的值；進(jìn)而根據(jù)D值，確定θ0的值；最后根據(jù)需要選擇透鏡的材料，并確定f值。

1．3 功率容量的分析

通過(guò)計(jì)算可以求得對(duì)應(yīng)輸入功率為1 W時(shí)介質(zhì)透鏡外表面的最大電場(chǎng)Emax。由于功率與電場(chǎng)的幅值平方成正比，當(dāng)饋源輸入的最大功率為Pimax時(shí)，可以得到介質(zhì)透鏡外表面的電場(chǎng)為：

一般認(rèn)為空氣中連續(xù)波電場(chǎng)擊穿閾值為30 kV／cm，因此在饋源輸出功率滿足式（5）的情況下，口徑上不會(huì)發(fā)生空氣擊穿現(xiàn)象。事實(shí)上，目前的高功率微波多為幾十納秒的短脈沖微波，在短脈沖情況下大氣的擊穿閾值要大于30 kV／cm，因此從介質(zhì)透鏡表面的空氣擊穿角度考慮，該饋源的功率容量大于Pimax。

1．4 近場(chǎng)卡式天線的主、副面

圖4為近場(chǎng)卡塞格倫天線結(jié)構(gòu)示意圖。

（4）主、副面半張角為：

2 設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)指標(biāo)要求，利用電磁仿真軟件優(yōu)化設(shè)計(jì)并加工了一個(gè)X頻段的近場(chǎng)卡塞格倫天線，對(duì)其電性能進(jìn)行實(shí)際測(cè)量，比較了饋源的仿真結(jié)果和測(cè)量結(jié)果。其中，該天線系統(tǒng)的各個(gè)部分尺寸如下：

指數(shù)型多模喇叭尺寸：d1=0．05 m，d2=0．266 m，L1=0．013 m，L2=0．507 m；指數(shù)方程參量：a=1，c=0，k=0．333，g=3。

雙曲型介質(zhì)透鏡尺寸：F=0．5 m，f=0．465 m，n=1．5，θ0=14．9°，介質(zhì)透鏡的材料選用聚乙烯。

近場(chǎng)卡式天線主、副面尺寸：Dm=2．2 m，Vs=0．332 m，F(xiàn)=0．836 m，f=0．126 m，θ=66．58°。

如圖5所示是近場(chǎng)卡塞格倫天線實(shí)物。該天線在微波暗室進(jìn)行測(cè)量。由圖6可以看出，介質(zhì)透鏡外表面的最大電場(chǎng)小于110 V／m，當(dāng)輸入功率為600 mW時(shí)，滿足式（5），因此該饋源的功率容量大于600 mW。

圖7和圖8分別示出加載介質(zhì)透鏡的指數(shù)型多模喇叭E面和H面的仿真結(jié)果和測(cè)量結(jié)果。通過(guò)對(duì)比可以看出，實(shí)測(cè)結(jié)果與仿真結(jié)果吻合良好，說(shuō)明饋源設(shè)計(jì)符合要求。

圖9和圖10分別給出設(shè)計(jì)的近場(chǎng)卡塞格倫天線水平面（E面）方向圖和俯仰面（H面）方向圖的測(cè)量結(jié)果。測(cè)量結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的天線電性能完全滿足指標(biāo)要求。這也說(shuō)明指數(shù)型喇叭是一種高效率饋源，而且具有高功率容量和軸對(duì)稱(chēng)的方向圖，適合用來(lái)作為高功率近場(chǎng)卡塞格倫天線的饋源。

3 結(jié) 語(yǔ)

系統(tǒng)地給出了高功率近場(chǎng)卡塞格倫天線的設(shè)計(jì)方案。針對(duì)高功率微波天線對(duì)饋源高功率容量和良好輻射特性的要求，選擇用內(nèi)壁光滑的指數(shù)型多模喇叭。對(duì)多模喇叭口面加載介質(zhì)透鏡，以滿足對(duì)天線副面進(jìn)行平面波照射。通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)，最終獲得了功率容量大于600 mW的X頻段高功率近場(chǎng)卡塞格倫天線，且實(shí)測(cè)結(jié)果與仿真結(jié)果吻合良好。由此證明該設(shè)計(jì)方案的可行性。