高功率容量Vlasov天线设计*

罗 康 孟 进 朱丹妮 袁玉章 王海涛 崔言程

（海军工程大学舰船综合电力国防科技重点实验室 武汉 430033）

1 引言

基于旋磁非线性传输线和开关振荡器的高功率微波源，输出通常为同轴TEM模，在同轴内导体的末端设置过渡结构易将同轴TEM模转换为圆波导TM01模，该模式直接辐射时方向图均是轴向为零的旋转对称结构（旁瓣电平高、能量分散、增益低），通常用于HPM的测量天线。可采用Vlasov天线连接圆波导TM01的末端，形成有一定方向性的空间辐射场［1～3］。

俄罗斯科学家Vlasov于1973年首先提出Vlasov天线［4］，其结构简单、紧凑而且有效，很快在高功率微波领域获得广泛应用［5～13］。目前，Vlasov型天线已有多种变形，如Step-Cut型、Helix-Cut型和Bevel-Cut型。由于具有模式转换的作用，也称为模式转换天线。为了克服Vlasov辐射器由于截面突变，易于出现高功率击穿的问题，Nakajima M等人提出了一种端口为斜切形的辐射器［10］。其原理与阶梯形辐射器类似，但在一定程度上克服了阶梯形辐射器的击穿问题，可以应用于更高功率的场合。

然而，Vlasov初级辐射器的增益通常由仿真经验获得，分析效率较低，并且通过密封充高压气体提升其功率容量的研究未见公开报道。本文通过理论分析指出，Vlasov初级辐射器的增益可通过相同口径的圆锥喇叭天线近似评估。除Vlasov天线斜切角附近外（可采用倒角提高功率容量），天线同轴部分功率容量明显低于圆波导部分。采用介质板将两边隔开，分别充0.3MPa、0.1MPa的SF6，使得整个天线功率容量超过211MW，避免了斜切口处高压不易密封和对电磁波的遮挡。

2 Vlasov天线理论分析

设计了如图1所示的Vlasov天线，共由6部分组成。其中，A区为连接微波源的同轴TEM传输段；B区为阻抗变换器；C区为变换后的同轴TEM传输段；D区为同轴TEM到圆波导TM01模式转换器；E区为圆波导TM01模式传输段；F区为圆波导TM01模式辐射段，并通过G区反射板在远场产生方向图倾斜向下的定向辐射。

图1 Vlasov天线原理示意图

根据表1，由微波源输出的微波频率范围(f1,f2)，确定E区圆波导的半径re：

表1 Vlasov天线设计时的典型模式

此时，Vlasov天线中心频率fc处的增益可参考圆锥喇叭天线：

则C区同轴内导体半径rc：

C区同轴传输线的特性阻抗Z为

A区同轴传输线的内外导体的半径ra1、ra2由微波源决定，其特性阻抗Za为

为使得B区阻抗变换器尽可能短，且对微波的传输、反射特性尽可能小，则应使得Zc≈Za。

为进一步提高Vlasov天线增益，在斜切口上方设置一个焦线位于波导轴线上的抛物柱面，即构成单反射面Vlasov天线，反射面的焦线位于Vlasov天线的轴线上，抛物线方程为

其中，F为焦距，则焦线与y轴重合。通常选取F≈2re2（re2为E区圆波导外半径）。

3 Vlasov天线仿真分析

在CST中建立了Vlasov天线的仿真模型，如图2所示。天线辐射器部分轴向最大尺寸为Ф 100mm，长度760mm；反射面宽度500mm，长度780mm；天线总长度1100mm。可通过折叠反射面的形式，以减小轴向尺寸；或者沿轴向滑动抛物面的形式，以减小天线总长度。与此同时，反射面可采用碳纤维材料，或者在介质板内侧镀铜，而非采用金属材质的反射面，以减小天线重量。反射面的加工方式可以是注模、3D打印等。

图2 Vlasov天线仿真模型

3.1 传输与辐射特性

端口馈入TEM波，C区为同轴TEM模式，E区则转为圆波导TM01模式，在2GHz～2.5GHz频带范围内的反射系数小于-14dB（电压驻波比1.5），如图3所示。

图3 Vlasov天线传输特性

Vlasov天线远场仿真结果如图4所示，当E区为TM01模式且为图1中斜切时，Vlasov初级辐射器可参考圆锥喇叭天线。因此，Vlasov天线E面为φ=90°对应的面，H 面为θ=132°对应的面，增益为18.4dB。

如图5所示，为Vlasov天线在轴向切面的电场分布，A区、B区、C区均为同轴TEM模式，E区为圆波导TM01模式并经F区、G区向外辐射。A区同轴内外导体尺寸均小于B区、C区，根据对同轴线功率容量的分析，Vlasov天线的最大电场将位于A区同轴内导体附近。考虑到Vlasov辐射器斜切面不宜做较大气压的密封，故在E区用Teflon介质板和法兰盘将天线隔开，并在左、右半部分分别充3个（0.3MPa）、1个（0.1MPa）大气压的SF6，对应的击穿场强分别为36MV、12MV，仿真的左、右两侧最大电场分别为1750V/m、500V/m，由此计算得左、右两侧功率容量分别为211MW、288MW。取最小值，则该Vlasov天线的功率容量为211MW。图2中Vlasov辐射底部设有两个充气孔，仿真表明对天线性能影响较小。与此同时，在同轴导体末端以及Vlasov辐射器斜切口附近出现了场增强，为提高天线功率容量，均做了倒角处理。

图5 Vlasov天线场分布

3.2 功率容量分析

在E区设置了Teflon介质板，其相对介电常数εr=2.1。较厚的介质板有利于承受较高的气压，但对传输特性具有一些影响；较薄的介质板对传输特性影响较小，却不耐高压。综合考虑，该天线采用厚度为20mm的介质板，如图6所示，在1MPa、0.3MPa下的应力形变分别为0.781mm、0.467mm。因此，该密封板在3个大气压下的应力形变较小，对微波的传输的影响近似可忽略。且即使采用1MPa（10个大气压）的SF6，其形变也较小，此时功率容量将进一步增大。

图6 密封板高压仿真结果

4 结语

本文首先对Vlasov天线的传输与辐射特性进行分析，指出初级辐射器的增益可通过相同口径的圆锥喇叭天线近似评估，为进一步提高天线增益，设置了抛物柱面反射板。由于Vlasov天线最大电场位于同轴内导体的外表面，考虑到其斜切口不易进行高压密封，提出了在圆波导传输区用介质板隔开，并在左、右两侧分别充0.3MPa、0.1MPa的惰性气体。天线功率容量大于211MW，阻抗带宽覆盖2GHz～2.5GHz，增益约18.4dBi。