基于双色板X波段同极化高功率微波合成研究

胡艺缤,刘运桃,束世葛,胡 标,李 浩,李天明,汪海洋,周翼鸿

(1. 中国电子科技集团公司第九研究所,四川绵阳621006;2. 电子科技大学 电子科学与工程学院,成都610054)

高功率微波(high power microwave,HPM)合成是近年来迅速发展的一项新技术[1-2],得益于脉冲功率技术的发展,微波源的输出功率达吉瓦量级[3-6]。单台HPM源由于物理极限的限制,无法在高功率、高能量的微波合成中取得更大突破。近年来,研究人员将HPM多路耦合作为功率合成的主要技术路线,而常规的多路合成器无法在过模波导状态下工作,难以保持更高功率能量的持续传输。国防科学技术大学张强等[7-8]提出了一种新型功率合成器,虽可实现单通道工作时的功率容量分别达7.31,6.83 GW,但这种T型合成器是对不同极化方向的矩形波导基模进行隔离传输,无法对同极化方向电磁波进行功率合成。

美国国家航空航天局(NASA)的深空网络中有一种双色板(dichroic plate)结构,可同时接收深空中各方向探测器不同频段的信号,达到功率合成的目的[9-10],即使随着深空探测的距离越来越远,到达地面的信号越来越弱,也可完成传输更多微波信息的要求。本文将这种双色板结构用于相同频段下的两路HPM合成。仿真结果表明,双色板的传输效率达99%,且满足实验要求8 GW的功率容量,实现了紧凑化设计。

1 双色板的结构特性

双色板是一种频率选择表面(frequency selective surface, FSS) ,双色板的阵列模型如图1所示。

图1 双色板的阵列模型

通过在金属板上打入孔洞的方式起到空间频率滤波器的作用,从而对高频率微波进行透射,对低频率微波进行反射。通过调整孔洞大小或形状、金属板厚度、孔洞内介电常数及平面波入射角度来达到有效控制双色板选择不同频率微波反射和透射的目的。由于双色板孔洞具有周期排布的特性,双色板可以有效抑制高阶平面波模式,通过增加孔洞数量来提高功率容量。这种2维周期结构具有小体积、低剖面、低损耗、易加工及便于共形等优点,得到广泛应用。

为满足高功率容量的设计,本文中双色板采用了矩形孔洞设计。实验要求该双色板对频率为9.3 GHz±50 MHz的微波进行反射,且反射效率大于97%;对频率为9.7 GHz±50 MHz的微波进行透射,且透射效率大于97%。图2为HPM合成路径图。通过调整馈源的位置,使微波合成于同一路径,达到对HPM合成的目的。

图2 HPM合成路径图

2 Floquet模式

双色板的2维周期性结构可看作处于无数个不同传播常数平面波的场叠加。从数学分析的角度,无限大阵列天线问题等效于无限大激励源组成的阵列问题,本质上等同于求解无限大阵列天线的辐射问题。而无限大阵列的激励函数可展开为Floquet模式函数叠加的形式,这种激励源叫做Floquet源。图3为Floquet激励源平面周期阵列的网格分布结构。其中,γ为网格角度;a,b分别为网格在x和y方向的排布周期,即图1中阵列矩形长和宽。

图3 Floquet激励源平面周期阵列的网格分布结构

对于2维Floquet激励源,假设电流源矢量方向沿x和y方向,传播方向沿z方向,电流幅值均匀分布,同时假设电流源I(x,y)为位于xOy平面上的表面电流源,表示为

(1)

(2)

将式(1)展开为Floquet级数,可表示为

(3)

其中：kxmn,kymn可表示为

(4)

(5)

其中,λ0为自由空间的波长。

通过计算可知,为获得最佳单元间隔a和b,需取γ=60°。

3 模拟结果分析

为验证双色板的滤波功能并获得优化结果,对所设计的模型进行仿真并对结果进行分析。

根据第2节可知,双色板是一个斜γ排布的2维周期结构,因此,依据Floquet理论可建立如图4所示的单元结构模型。其中,d1为矩形沿x方向的单元间隔,d2为矩形沿y方向的单元间隔,矩形网格角度如上文所述取60°排布,整个单元厚度为h。通过添加周期边界条件和45°的入射平面波进行优化仿真。

图4 Floquet模式下的单元结构

优化后单元结构的反射系数S11和透射系数S21如图5所示。由图5可见,当平面波以入射角为45°照射在双色板单元模型上时,在9.0～9.35 GHz频段内,反射系数S11为-0.06 dB,反射效率大于99%;在9.6～9.8GHz频段内,透射系数S21为-0.08 dB,透射效率大于98%。由此可见,该双色板可有效进行滤波选频,且按照实验要求,可在9.3 GHz±50 MHz频段内进行高效反射,在9.7 GHz±50 MHz频段内高效透射。

图5 优化后单元结构的反射系数和透射系数

微波馈入功率1 W时,单元结构的电场分布如图6所示。取真空击穿电场强度为500 kV·cm-1,可计算得到单元功率容量为0.024 GW,因此,双色板阵列辐射功率为8 GW的微波,需334个单元,再结合单元面积,可计算出该双色板需做成一个半径为18 cm的圆盘即可。

图6 微波馈入功率1 W时,单元结构的电场分布

考虑到进行空间功率合成时,为保证入射波的入射角为45°,双色板需倾斜45°放置于两路馈源之间,因此双色板设计成长短轴之比为1.414∶1的椭圆柱型圆盘。对单元结构进行合并建立的双色板阵列模型如图7所示。

模拟双色板阵列模型在空间HPM合成时的链路如图8所示。由图8可见,合成链路的基本原理为：HPM源产生的高斯波束照射下,经抛物反射面将馈源出射的高斯波束转换为平面波,再由平面反射镜改变波束方向,垂直入射双色板阵列,其中,P1为双色板入射波近场,P2为双色板出射波近场。考虑到FEKO软件仿真时,近场只能显示传输后的电磁场情况,将P1放置在没有双色板的整体链路中进行仿真,其位置依旧在电磁波入射时双色板近场附近。

图7 双色板阵列模型

(a)9.7 GHz

(b)9.3 GHz

双色板波束通路如图9所示。将HPM源设置为TE11模式,在9.7 GHz HPM照射下,测量得到P1处的功率为487.513 mW,P2处的功率为479.524 mW,双色板透射效率为98.36%;在9.3 GHz HPM照射下,测量得到P1处的功率为430.242 mW,P2处的功率为15.858 1 mW,双色板反射效率为97%。

(a)f=9.7 GHz

(b)f=9.3 GHz

4 结论

本文设计了一款双色板并对双色板单元及阵列进行了仿真模拟,仿真结果表明：(1)双色板可有效地在同频段相近频点完成滤波作用,在9.3 GHz±50 MHz频段内,反射系数为0.06 dB,反射效率大于99%;在9.7 GHz±50 MHz频段内,透射系数为0.08 dB,透射效率大于98%。(2)双色板平面化结构可通过扩大单元个数来满足所需功率容量要求,本文设计的双色板可承载功率为8 GW的微波照射,且面积不大,达到小型化,紧凑化设计的目的。