不同形状孔缝微波耦合的实验研究

　第16卷　第1期强激光与粒子束Vol.16,No.1 2004年1月HIGH POWER LASER AND PAR TICL E B EAMS Jan.,2004　文章编号:　100124322(2004)0120088203

不同形状孔缝微波耦合的实验研究Ξ

周金山,　刘国治,　彭　鹏,　王建国

(西北核技术研究所,陕西西安710024)

摘　要:　探讨了椭圆、圆环、方环、十字交叉形、圆形、正方形、正三角形及双矩形孔缝在2～18GHz频率

范围内的耦合系数,并与矩形孔缝的耦合特性进行了比较。结果表明:各种不同形状孔缝微波耦合的共振特

性与其纵横比有关,纵横比较大的孔缝耦合共振现象比较明显,纵横比较小的孔缝耦合特性趋于高通;各种孔

缝的共振频率与孔缝长度有密切关系。

关键词:　高功率微波;　耦合;　共振效应

中图分类号:　O441.5 文献标识码:　A

高功率微波(HPM)与目标系统发生作用的必要条件是其能量通过“前门”或“后门”耦合进入系统[1,2]。所谓“前门”耦合指的是通过天线等的耦合,“后门”耦合指的是通过目标腔体上的接缝、裂缝、舱门或电缆等的耦合。由于通过前门耦合的能量有可能被系统的保护器件阻隔而不会对系统产生干扰或破坏,而系统上的孔缝不可避免,所以,通过后门耦合进系统,并对系统内的器件进行干扰或破坏是高功率微波能量进入目标系统的重要途径之一。

为了研究孔缝微波耦合现象,我们建立了耦合理论、数值模拟方法和实验方法[1～3]。用理论和数值模拟方法研究了孔缝微波线性(无大气击穿现象)和非线性(发生大气击穿现象)耦合问题[2,3]。在文献[1]中,我们建立了一套孔缝耦合系数的实验测量装置,描述了测量原理和方法,并给出了矩形孔缝对微波辐射场耦合特性的实验研究结果。结果表明:对于矩形孔,当入射波电场垂直于孔的长边时,在微波波长约等于长边长度2倍的一个频带内存在强耦合[1],并出现增强效应,说明“后门”耦合有非常重要的意义。为了深入研究“后门”耦合问题,本文实验研究了几种不同形状、尺寸的孔缝对微波辐射场的耦合特性,主要探讨圆形、圆环、椭圆形、正方形、正三角形、十字交叉形孔缝和双矩形孔缝的耦合系数受其参数的影响及不同形状的差异,并与矩形孔缝的耦合作了比较。实验时采用<50cm×50cm的圆柱腔体,孔缝所在腔体的壁厚度为5mm,探头距孔缝5cm,除测量极化特性外,保持天线、探头垂直极化,孔缝宽边与辐射天线极化方向垂直。

1　实验装置及方法

实验装置框图及实验方法详见文献[1]。实验时先以微波吸收材料取代带孔缝金属板,并将接收测量探头移至金属板的位置,由HP8510C测量记录得到此时系统的传输系数S′21(f);再去掉微波吸收材料,加上带孔缝金属板,将探头放在指定位置,测量记录S21(f),由S21(f)减去S′21(f)得耦合系数为

η(f)=S

(f)-S21(f)=10lg[Ρ1(f)/Ρ0(f)](1)

21

式中,P0(f)为入射微波功率密度;P1(f)为金属壳体内测试点的耦合微波功率密度。

2　实验结果

2.1　椭圆孔的耦合特性

实验中采用了16mm×2mm,16mm×4mm,16mm×8mm,20mm×4mm,30mm×4mm等5种椭圆孔(2a ×2b,其中a,b分别为半长轴、半短轴)。实验时,辐射天线与接收探头极化方向保持一致,并与椭圆长轴垂直。

图1给出了16mm×2mm,16mm×4mm椭圆孔耦合系数随频率变化的曲线。结果表明,与矩形孔缝耦合特性类似,当椭圆的长短轴之比较大时,其耦合呈带通特性,定义其中心频率为共振频率f c,则其对应共振波长约为长轴的2倍,并稍小于相同长度的矩形孔缝。

随着长短轴之比的增大,椭圆孔在较高频段的耦合逐渐增强,耦合特性趋于高通(在实验频段内),截止频

Ξ收稿日期:2002205220; 修订日期:2003208210

基金项目:国家863计划项目资助课题

作者简介:周金山(1970—),男,硕士,现从事超宽谱高功率微波研究工作;西安市69213信箱。

率取决于椭圆的长轴,其截止波长略长于长轴的2倍。

选用20mm ×4mm 椭圆孔缝,以长轴水平方向为0°,实验结果如图2所示,其中耦合系数曲线为10%频率平滑后的结果[1]。由图2可见,与矩形孔缝的极化特性类似,当辐射场的极化方向与椭圆的长轴垂直时,其耦合最强,随着辐射场极化方向与椭圆长轴夹角的增大,耦合场减弱,减弱速度随角度的增大而加快。由于孔缝和探头对极化场的双重选择,孔缝方向的改变对耦合的影响更大。而由于圆柱腔体的作用,腔体内耦合场的极化减弱

。

Fig.1　Coupling coefficient of 16mm ×2mm and 16mm ×4mm elliptic aperture 图1　16mm ×2mm 和16mm ×4mm 椭圆孔耦合系数Fig.2　Polarization of elliptic aperture

图2　椭圆孔耦合的极化特性　

2.2　圆环孔缝的耦合特性

实验用圆环孔缝如图3所示。结果表明,微波场通过圆环孔缝到腔体的耦合也具有明显的共振特性。由

于所用圆环孔缝有不连续点,耦合场因入射场极化方向与孔缝的夹角(孔缝以缺口向下为0°

)不同,存在两种不同的共振点:当孔缝角度为0o 时,可以看出,耦合系数曲线有两个共振点f c1=4.64GHz 和f c2=9.64GHz ,其对应波长分别为λc1=64.6mm 和λc2=31.1mm ,分别约等于4倍及2倍直径(d =16mm );随着孔缝角度的增大,两共振点的耦合系数下降,其中f c1点的耦合系数下降更快,当孔缝角度为45°时,共振现象已基本消失,同时,在f c3=6.58GHz 处出现共振现象,其波长λc3=45.6mm 约等于圆环的长度(46.1mm ),其耦合系数随孔缝角度的增大而增大;当孔缝角度为90°时,f c1及f c2处共振现象均已消失,而f c3处的共振达到最强。 以共振频率f c2=9.64GHz 为例

对圆环孔缝的极化特性作了研究,图

4为实验结果。由图中可以看出,圆

环孔缝的极化特性较矩形孔缝及椭圆

孔的极化弱,孔缝、探头、天线三者长

边夹角在0°～90°之间变化时,探头引

起的耦合系数变化不超过10dB ,而孔

缝和天线引起的变化则不超过15dB 。

圆环孔缝耦合的另外两个共振点的极

化特性类似。

图5给出了孔缝角度分别为0°

,Fig.3　Schematic diagram of circle Fig.4　Polarization of circle aperture 图3　圆环孔缝示意图 16mm ×4mm elliptic aperture 图4　圆环耦合的极化特性

45°及90°时的耦合系数随频率的变化曲线,其探头距孔缝的距离均为z =5cm 。

2.3　方环孔缝的耦合特性

实验孔缝如图6所示,其长度为16mm ,宽度W 分别为1mm ,2mm ,4mm ,8mm 。实验时,探头与天线极化方向保持一致。

实验结果表明,当辐射场极化方向垂直于方环孔缝的长边时,其耦合具有明显的共振特性,表1列出了各孔缝的共振频率f c 及共振波长λc 与孔缝几何参数的关系,可以看出,方环孔缝的共振波长约等于其长度L 。

2.4　十字孔缝的耦合特性

实验孔缝为两个16mm ×1mm 矩形孔缝垂直相交,并相互平分而成。孔缝以其中一个矩形水平为0°。由于十字孔缝的对称性,极化实验时各角度变化范围为0°到45°。

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