基于雙色板X波段同極化高功率微波合成研究

胡藝繽,劉運桃,束世葛,胡 標,李 浩,李天明,汪海洋,周翼鴻

(1. 中國電子科技集團公司第九研究所,四川綿陽621006;2. 電子科技大學 電子科學與工程學院,成都610054)

高功率微波(high power microwave,HPM)合成是近年來迅速發展的一項新技術[1-2],得益于脈沖功率技術的發展,微波源的輸出功率達吉瓦量級[3-6]。單臺HPM源由于物理極限的限制,無法在高功率、高能量的微波合成中取得更大突破。近年來,研究人員將HPM多路耦合作為功率合成的主要技術路線,而常規的多路合成器無法在過模波導狀態下工作,難以保持更高功率能量的持續傳輸。國防科學技術大學張強等[7-8]提出了一種新型功率合成器,雖可實現單通道工作時的功率容量分別達7.31,6.83 GW,但這種T型合成器是對不同極化方向的矩形波導基模進行隔離傳輸,無法對同極化方向電磁波進行功率合成。

美國國家航空航天局(NASA)的深空網絡中有一種雙色板(dichroic plate)結構,可同時接收深空中各方向探測器不同頻段的信號,達到功率合成的目的[9-10],即使隨著深空探測的距離越來越遠,到達地面的信號越來越弱,也可完成傳輸更多微波信息的要求。本文將這種雙色板結構用于相同頻段下的兩路HPM合成。仿真結果表明,雙色板的傳輸效率達99%,且滿足實驗要求8 GW的功率容量,實現了緊湊化設計。

1 雙色板的結構特性

雙色板是一種頻率選擇表面(frequency selective surface, FSS) ,雙色板的陣列模型如圖1所示。

圖1 雙色板的陣列模型

通過在金屬板上打入孔洞的方式起到空間頻率濾波器的作用,從而對高頻率微波進行透射,對低頻率微波進行反射。通過調整孔洞大小或形狀、金屬板厚度、孔洞內介電常數及平面波入射角度來達到有效控制雙色板選擇不同頻率微波反射和透射的目的。由于雙色板孔洞具有周期排布的特性,雙色板可以有效抑制高階平面波模式,通過增加孔洞數量來提高功率容量。這種2維周期結構具有小體積、低剖面、低損耗、易加工及便于共形等優點,得到廣泛應用。

為滿足高功率容量的設計,本文中雙色板采用了矩形孔洞設計。實驗要求該雙色板對頻率為9.3 GHz±50 MHz的微波進行反射,且反射效率大于97%;對頻率為9.7 GHz±50 MHz的微波進行透射,且透射效率大于97%。圖2為HPM合成路徑圖。通過調整饋源的位置,使微波合成于同一路徑,達到對HPM合成的目的。

圖2 HPM合成路徑圖

2 Floquet模式

雙色板的2維周期性結構可看作處于無數個不同傳播常數平面波的場疊加。從數學分析的角度,無限大陣列天線問題等效于無限大激勵源組成的陣列問題,本質上等同于求解無限大陣列天線的輻射問題。而無限大陣列的激勵函數可展開為Floquet模式函數疊加的形式,這種激勵源叫做Floquet源。圖3為Floquet激勵源平面周期陣列的網格分布結構。其中,γ為網格角度;a,b分別為網格在x和y方向的排布周期,即圖1中陣列矩形長和寬。

圖3 Floquet激勵源平面周期陣列的網格分布結構

對于2維Floquet激勵源,假設電流源矢量方向沿x和y方向,傳播方向沿z方向,電流幅值均勻分布,同時假設電流源I(x,y)為位于xOy平面上的表面電流源,表示為

(1)

(2)

將式(1)展開為Floquet級數,可表示為

(3)

其中：kxmn,kymn可表示為

(4)

(5)

其中,λ0為自由空間的波長。

通過計算可知,為獲得最佳單元間隔a和b,需取γ=60°。

3 模擬結果分析

為驗證雙色板的濾波功能并獲得優化結果,對所設計的模型進行仿真并對結果進行分析。

根據第2節可知,雙色板是一個斜γ排布的2維周期結構,因此,依據Floquet理論可建立如圖4所示的單元結構模型。其中,d1為矩形沿x方向的單元間隔,d2為矩形沿y方向的單元間隔,矩形網格角度如上文所述取60°排布,整個單元厚度為h。通過添加周期邊界條件和45°的入射平面波進行優化仿真。

圖4 Floquet模式下的單元結構

優化后單元結構的反射系數S11和透射系數S21如圖5所示。由圖5可見,當平面波以入射角為45°照射在雙色板單元模型上時,在9.0～9.35 GHz頻段內,反射系數S11為-0.06 dB,反射效率大于99%;在9.6～9.8GHz頻段內,透射系數S21為-0.08 dB,透射效率大于98%。由此可見,該雙色板可有效進行濾波選頻,且按照實驗要求,可在9.3 GHz±50 MHz頻段內進行高效反射,在9.7 GHz±50 MHz頻段內高效透射。

圖5 優化后單元結構的反射系數和透射系數

微波饋入功率1 W時,單元結構的電場分布如圖6所示。取真空擊穿電場強度為500 kV·cm-1,可計算得到單元功率容量為0.024 GW,因此,雙色板陣列輻射功率為8 GW的微波,需334個單元,再結合單元面積,可計算出該雙色板需做成一個半徑為18 cm的圓盤即可。

圖6 微波饋入功率1 W時,單元結構的電場分布

考慮到進行空間功率合成時,為保證入射波的入射角為45°,雙色板需傾斜45°放置于兩路饋源之間,因此雙色板設計成長短軸之比為1.414∶1的橢圓柱型圓盤。對單元結構進行合并建立的雙色板陣列模型如圖7所示。

模擬雙色板陣列模型在空間HPM合成時的鏈路如圖8所示。由圖8可見,合成鏈路的基本原理為：HPM源產生的高斯波束照射下,經拋物反射面將饋源出射的高斯波束轉換為平面波,再由平面反射鏡改變波束方向,垂直入射雙色板陣列,其中,P1為雙色板入射波近場,P2為雙色板出射波近場?？紤]到FEKO軟件仿真時,近場只能顯示傳輸后的電磁場情況,將P1放置在沒有雙色板的整體鏈路中進行仿真,其位置依舊在電磁波入射時雙色板近場附近。

圖7 雙色板陣列模型

(a)9.7 GHz

(b)9.3 GHz

雙色板波束通路如圖9所示。將HPM源設置為TE11模式,在9.7 GHz HPM照射下,測量得到P1處的功率為487.513 mW,P2處的功率為479.524 mW,雙色板透射效率為98.36%;在9.3 GHz HPM照射下,測量得到P1處的功率為430.242 mW,P2處的功率為15.858 1 mW,雙色板反射效率為97%。

(a)f=9.7 GHz

(b)f=9.3 GHz

4 結論

本文設計了一款雙色板并對雙色板單元及陣列進行了仿真模擬,仿真結果表明：(1)雙色板可有效地在同頻段相近頻點完成濾波作用,在9.3 GHz±50 MHz頻段內,反射系數為0.06 dB,反射效率大于99%;在9.7 GHz±50 MHz頻段內,透射系數為0.08 dB,透射效率大于98%。(2)雙色板平面化結構可通過擴大單元個數來滿足所需功率容量要求,本文設計的雙色板可承載功率為8 GW的微波照射,且面積不大,達到小型化,緊湊化設計的目的。