本發(fā)明涉及高功率微波技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種高功率微波系統(tǒng)中的金屬平板透鏡。

背景技術(shù)：

目前，高功率微波是指峰值功率大于100MW、頻率在1～100GHz之間的電磁波，在軍事領(lǐng)域和民用方面應(yīng)用多種多樣。

一般高功率微波系統(tǒng)需要通過透鏡向外輻射微波，透鏡的作用主要有兩種，一種是隔絕大氣與微波源內(nèi)部，以防大氣進(jìn)入微波源導(dǎo)致電場(chǎng)擊穿，另一種是調(diào)整微波在經(jīng)過透鏡后不同位置處的相位，使其輸出微波在遠(yuǎn)場(chǎng)增益、微波指向等方面滿足使用要求。常用的透鏡主要為介質(zhì)透鏡，介質(zhì)透鏡主要由純介質(zhì)構(gòu)成，通過調(diào)整介質(zhì)透鏡不同位置的厚度，使微波在經(jīng)過透鏡不同位置時(shí)產(chǎn)生一定的相位差，進(jìn)而對(duì)輸出微波起到調(diào)整遠(yuǎn)場(chǎng)增益、微波指向等的作用。研究人員已經(jīng)利用介質(zhì)透鏡對(duì)微波系統(tǒng)輸出微波進(jìn)行調(diào)整，取得了較好的效果。如【袁成衛(wèi).新型高功率微波共軸模式轉(zhuǎn)換器及模式轉(zhuǎn)換天線研究,博士學(xué)位論文,2006.】通過將介質(zhì)透鏡設(shè)計(jì)成平凸型使喇叭天線輸出的球面波轉(zhuǎn)換為平面波輸出，提高了微波遠(yuǎn)場(chǎng)增益。介質(zhì)透鏡在近些年里獲得了廣泛的應(yīng)用，但是在某些應(yīng)用背景下也存在一些弊端，如在需要對(duì)微波相位進(jìn)行調(diào)整的應(yīng)用場(chǎng)合，介質(zhì)透鏡通過調(diào)整自身結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)對(duì)微波的調(diào)整，不能將其做成平板結(jié)構(gòu)賦形于應(yīng)用平臺(tái)，并且在高功率微波緊湊化發(fā)展的趨勢(shì)下，介質(zhì)透鏡的體積、重量問題也不容忽視。

因此，對(duì)能夠應(yīng)用于高功率微波領(lǐng)域的體積小、重量輕的平板型透鏡的研究探索具有重要意義。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中在需要對(duì)微波波前相位進(jìn)行調(diào)整的應(yīng)用場(chǎng)合下，介質(zhì)透鏡不能做成平板結(jié)構(gòu)賦形于應(yīng)用平臺(tái)，并且其體積、重量較大的問題，提供一種體積小、重量輕的金屬平板透鏡。

本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：

本發(fā)明可以實(shí)現(xiàn)對(duì)口面天線輸出到平板金屬透鏡的圓極化微波波前相位進(jìn)行調(diào)整，實(shí)現(xiàn)調(diào)整微波波束指向空間目標(biāo)位置的效果。

本發(fā)明由n行n列共n²個(gè)大小和結(jié)構(gòu)均相同的分立相位調(diào)整單元構(gòu)成，將第i行第j列分立相位調(diào)整單元表示為A_ij，其中0＜i≤n，0＜j≤n且均為整數(shù)。

分立相位調(diào)整單元由m層結(jié)構(gòu)相同的十字縫金屬板及m-1層結(jié)構(gòu)相同的支撐板構(gòu)成，m為大于1的整數(shù)。以靠近口面天線一側(cè)為左，以遠(yuǎn)離口面天線一側(cè)為右，m層十字縫金屬板從左至右分別為第1十字縫金屬板、第2十字縫金屬板、……第m十字縫金屬板，m-1層支撐板從左至右分別為第1支撐板、第2支撐板、……第m-1支撐板，m層十字縫金屬板與m-1層支撐板從左至右緊密疊放，疊放順序?yàn)榈?十字縫金屬板、第1支撐板、第2十字縫金屬板、第2支撐板、……第m-1十字縫金屬板、第m-1支撐板、第m十字縫金屬板。第1十字縫金屬板由在邊長(zhǎng)為L(zhǎng)1，厚度為D1的正方形金屬板上打有一個(gè)十字縫而成，十字縫的長(zhǎng)軸長(zhǎng)為L(zhǎng)2，長(zhǎng)軸寬為L(zhǎng)3，短軸長(zhǎng)為L(zhǎng)4，短軸寬為L(zhǎng)5，長(zhǎng)軸與短軸的交點(diǎn)位于長(zhǎng)軸與短軸各自的中心，同時(shí)與第1十字縫金屬板的中心重合。m層十字縫金屬板疊放時(shí)要保證m層十字縫金屬板上的十字縫正對(duì)。其中λ為中心工作頻率對(duì)應(yīng)的自由空間波長(zhǎng)，D1取1-2mm，L3＜L2＜L1，L3需要滿足且L5＜L4＜L2，L5需要滿足且第1支撐板由在邊長(zhǎng)為L(zhǎng)6，厚度為D2的正方形金屬板上打有一個(gè)方形通孔而成，方形通孔的邊長(zhǎng)為L(zhǎng)7，方形通孔的中心與第1支撐板的中心重合。其中L6＝L1，D2>0，當(dāng)L1、D1確定后，通過電磁仿真軟件CST，在滿足上述條件的基礎(chǔ)上，由分立相位調(diào)整單元左側(cè)注入左旋圓極化微波，由于左旋圓極化微波可以看做是由豎直極化分量微波與相位落后豎直極化分量微波90°的水平極化分量微波合成的微波，設(shè)定左旋圓極化微波由分立相位調(diào)整單元左側(cè)傳輸?shù)接覀?cè)后，豎直極化分量微波相位落后水平極化分量微波相位90°，即轉(zhuǎn)換為右旋圓極化微波的效率為99％，可以獲得參數(shù)L2、L3、L4、L5、L6、L7、D2的精確值。

將第i行第j列分立相位調(diào)整單元A_ij上的十字縫沿微波傳輸方向的扭轉(zhuǎn)角度定義為T_ij，0°≤T_ij＜180°。T_ij的具體數(shù)值由入射波性質(zhì)及波束指向要求決定，應(yīng)用于本發(fā)明中的入射波為圓極化平面入射波，滿足每一列分立相位調(diào)整單元的十字縫沿微波傳輸方向的扭轉(zhuǎn)角度相等，相鄰列分立相位調(diào)整單元的十字縫沿微波傳輸方向的扭轉(zhuǎn)角度相差即：

第1列分立相位調(diào)整單元的十字縫沿微波傳輸方向的扭轉(zhuǎn)角度：T₁₁＝T₂₁＝…T_i1…＝T_n1，

第2列分立相位調(diào)整單元的十字縫沿微波傳輸方向的扭轉(zhuǎn)角度：T₁₂＝T₂₂＝…T_i2…＝T_n2，

……

第j列分立相位調(diào)整單元的十字縫沿微波傳輸方向的扭轉(zhuǎn)角度：T_1j＝T_2j＝…T_ij…＝T_nj，

……

第n列分立相位調(diào)整單元的十字縫沿微波傳輸方向的扭轉(zhuǎn)角度：T_1n＝T_2n＝…T_in…＝T_nn，

且

其中u＝2……n，λ為中心工作頻率對(duì)應(yīng)的自由空間波長(zhǎng)，Q為出射波的波束偏轉(zhuǎn)角度，取決于空間目標(biāo)相對(duì)于金屬平板透鏡的位置，由用戶確定。

本發(fā)明的工作過程為：金屬平板透鏡的n²個(gè)分立相位調(diào)整單元將口面天線輸出的左旋圓極化微波功分為n²份，將與分立相位調(diào)整單元A_ij對(duì)應(yīng)的左旋圓極化微波定義為C_ij，左旋圓極化模式微波C_ij沿著分立相位調(diào)整單元A_ij傳輸，由于左旋圓極化微波可以看做是由豎直極化分量微波與相位落后豎直極化分量微波90°的水平極化分量微波合成的微波，當(dāng)左旋圓極化微波C_ij由分立相位調(diào)整單元A_ij左側(cè)傳輸?shù)接覀?cè)過程中，左旋圓極化微波C_ij每經(jīng)過一層十字縫金屬板，豎直極化分量微波相位會(huì)落后，水平極化分量微波相位會(huì)超前，水平極化分量微波超前量與豎直極化分量微波落后量的差為180/m°，支撐層起到支撐和防止左旋圓極化微波C_ij在分立相位調(diào)整單元A_ij之間耦合的作用，對(duì)相位調(diào)整不起作用，當(dāng)注入的C_ij由分立相位調(diào)整單元A_ij左側(cè)傳輸?shù)接覀?cè)后，水平極化分量微波超前總量與豎直極化分量微波落后總量的差為180°，豎直極化分量微波相位落后水平極化分量微波90°，即左旋圓極化微波C_ij轉(zhuǎn)換為右旋圓極化微波，同理，當(dāng)口面天線輸出的是右旋圓極化微波時(shí)，分立相位單元可以將其轉(zhuǎn)換為左旋圓極化微波，所以每個(gè)分立相位調(diào)整單元相當(dāng)于一個(gè)可以反轉(zhuǎn)圓極化微波模式極化方向的模式轉(zhuǎn)換器，將通過分立相位調(diào)整單元A_ij的圓極化模式微波的極化方向進(jìn)行反向，且通過分立相位調(diào)整單元A_ij上的十字縫扭轉(zhuǎn)角度調(diào)整圓極化模式微波的輸出相位。n行n列共n²個(gè)分立相位調(diào)整單元組成平板金屬透鏡，對(duì)口面天線輸出的圓極化微波波前相位進(jìn)行調(diào)整，即可實(shí)現(xiàn)調(diào)整微波波束指向空間目標(biāo)位置的效果。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，采用本發(fā)明可以達(dá)到以下技術(shù)效果：

1、本發(fā)明對(duì)口面天線輸出的圓極化微波波前相位進(jìn)行調(diào)整，可以實(shí)現(xiàn)調(diào)整微波波束指向空間目標(biāo)位置的效果；

2、本發(fā)明由全金屬構(gòu)成，真空條件下?lián)舸╅撝递^高，適用于高功率微波應(yīng)用；

3、本發(fā)明結(jié)構(gòu)為平板結(jié)構(gòu)，易于賦形于應(yīng)用平臺(tái)，與介質(zhì)透鏡相比體積小、重量輕，適應(yīng)高功率微波緊湊化發(fā)展需求。

附圖說明

圖1為背景技術(shù)【袁成衛(wèi).新型高功率微波共軸模式轉(zhuǎn)換器及模式轉(zhuǎn)換天線研究,博士學(xué)位論文,2006.】中公布的安裝在喇叭天線口面上的平凸型介質(zhì)透鏡示意圖；

圖2為本發(fā)明金屬平板透鏡整體結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為本發(fā)明分立相位調(diào)整單元結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4為構(gòu)成本發(fā)明分立相位調(diào)整單元的第1十字縫金屬板結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5為構(gòu)成本發(fā)明分立相位調(diào)整單元的第1支撐板結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式做進(jìn)一步描述。以下實(shí)施例僅用于說明本發(fā)明，但不用來限制本發(fā)明的范圍。

圖1為背景技術(shù)【袁成衛(wèi).新型高功率微波共軸模式轉(zhuǎn)換器及模式轉(zhuǎn)換天線研究,博士學(xué)位論文,2006.】中公布的安裝在天線口面1上的平凸型介質(zhì)透鏡2示意圖。這種平凸型介質(zhì)透鏡2可以提高微波遠(yuǎn)場(chǎng)增益，但是無法做成平板結(jié)構(gòu)賦形于應(yīng)用平臺(tái)，并且在高功率微波緊湊化發(fā)展的趨勢(shì)下，平凸型介質(zhì)透鏡2的體積、重量問題也不容忽視。

圖2為本發(fā)明金屬平板透鏡3整體結(jié)構(gòu)示意圖。如圖所示，金屬平板透鏡3由n行n列共n²個(gè)分立相位調(diào)整單元4構(gòu)成，金屬平板透鏡3為平板結(jié)構(gòu)，容易賦形于應(yīng)用平臺(tái)。

圖3為本發(fā)明分立相位調(diào)整單元4示意圖。如圖所示，分立相位調(diào)整單元4由m層大小和結(jié)構(gòu)相同的十字縫金屬板(41、42、……、4(m-1)、4(m))及m-1層大小和結(jié)構(gòu)相同的支撐板(51、52、……5(m-1))構(gòu)成，以圖1中靠近口面天線一側(cè)為左，以遠(yuǎn)離口面天線一側(cè)為右，m層十字縫金屬板(41、42、……、4(m-1)、4(m))從左至右分別為第1十字縫金屬板41、第2十字縫金屬板42、……第m-1十字縫金屬板4(m-1)、第m十字縫金屬板4(m)，m-1層支撐板(51、52、……5(m-1))從左至右分別為第1支撐板51、第2支撐板52、……第m-1支撐板5(m-1)，m層十字縫金屬板(41、42、……、4(m-1)、4(m))與m-1層支撐板(51、52、……5(m-1))從左至右緊密疊放，疊放順序?yàn)榈?十字縫金屬板41、第1支撐板51、第2十字縫金屬板42、第2支撐板52、……第m-1十字縫金屬板4(m-1)、第m-1支撐板5(m-1)、第m十字縫金屬板4(m)，m層十字縫金屬板(41、42、……、4(m-1)、4(m))疊放時(shí)要保證m層十字縫金屬板(41、42、……、4(m-1)、4(m))上的十字縫411正對(duì)。其中第1十字縫金屬板41的厚度為D1，第1支撐板51的厚度為D2。

圖4為構(gòu)成本發(fā)明分立相位調(diào)整單元4的第1十字縫金屬板41示意圖。如圖所示，第1十字縫金屬板41由在邊長(zhǎng)為L(zhǎng)1，厚度為D1的正方形金屬板上打有一個(gè)十字縫411而成，十字縫411的長(zhǎng)軸4111長(zhǎng)為L(zhǎng)2，長(zhǎng)軸4111寬為L(zhǎng)3，短軸4112長(zhǎng)為L(zhǎng)4，短軸4112寬為L(zhǎng)5，長(zhǎng)軸4111與短軸4112的交點(diǎn)位于長(zhǎng)軸4111與短軸4112各自的中心，同時(shí)與十字縫金屬板41的中心重合。其中λ為中心工作頻率對(duì)應(yīng)的自由空間波長(zhǎng)，D1取1-2mm，L3＜L2＜L1，L3需要滿足且L5＜L4＜L2，L5需要滿足且m層十字縫金屬板(41、42、……、4(m-1)、4(m))結(jié)構(gòu)相同。將第i行第j列分立相位調(diào)整單元表示為A_ij，A_ij上的十字縫4111沿微波傳輸方向的扭轉(zhuǎn)角度定義為T_ij，其中0＜i≤n，0＜j≤n且均為整數(shù)，其中0°≤T_ij＜180°。T_ij的具體數(shù)值由入射波性質(zhì)及波束指向要求決定，應(yīng)用于本發(fā)明中的入射波為圓極化平面入射波，滿足每一列分立相位調(diào)整單元的十字縫沿微波傳輸方向的扭轉(zhuǎn)角度相等，相鄰列分立相位調(diào)整單元的十字縫沿微波傳輸方向的扭轉(zhuǎn)角度相差即：

第1列分立相位調(diào)整單元的十字縫沿微波傳輸方向的扭轉(zhuǎn)角度：T₁₁＝T₂₁＝…T_i1…＝T_n1，

第2列分立相位調(diào)整單元的十字縫沿微波傳輸方向的扭轉(zhuǎn)角度：T₁₂＝T₂₂＝…T_i2…＝T_n2，

……

第j列分立相位調(diào)整單元的十字縫沿微波傳輸方向的扭轉(zhuǎn)角度：T_1j＝T_2j＝…T_ij…＝T_nj，

……

第n列分立相位調(diào)整單元的十字縫沿微波傳輸方向的扭轉(zhuǎn)角度：T_1n＝T_2n＝…T_in…＝T_nn，

且

其中u＝2……n，λ為中心工作頻率對(duì)應(yīng)的自由空間波長(zhǎng)，Q為出射波的波束偏轉(zhuǎn)角度，取決于空間目標(biāo)相對(duì)于金屬平板透鏡的位置，由用戶確定。

圖5為構(gòu)成分立相位調(diào)整單元4的第1支撐板51示意圖。如圖所示，支撐板51由在邊長(zhǎng)為L(zhǎng)6，厚度為D2的正方形金屬板上打有一個(gè)方形通孔511而成，方形通孔511的邊長(zhǎng)為L(zhǎng)7，方形通孔511的中心與第1支撐板51的中心重合。其中L6＝L1，D2>0，m-1層十字縫金屬板(51、……5(m-1))結(jié)構(gòu)相同。

當(dāng)L1、D1確定后，通過電磁仿真軟件CST，在滿足上述條件的基礎(chǔ)上，由分立相位調(diào)整單元4左側(cè)注入左旋圓極化微波，由于左旋圓極化微波可以看做是由豎直極化分量微波與相位落后豎直極化分量微波90°的水平極化分量微波合成的微波，設(shè)定左旋圓極化微波由分立相位調(diào)整單元4左側(cè)傳輸?shù)接覀?cè)后，豎直極化分量微波相位落后水平極化分量微波相位90°，即轉(zhuǎn)換為右旋圓極化微波的效率為99％，可以獲得參數(shù)L2、L3、L4、L5、L6、L7、D2的精確值。以上實(shí)施方式僅用于說明本發(fā)明，而并非對(duì)本發(fā)明的限制，有關(guān)技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，還可以做出各種變化及變型，因此所有等同技術(shù)方案也屬于本發(fā)明的保護(hù)范疇。