太赫兹频段Vlasov天线设计

针对传统Vlasov天线，增益较低、副瓣电平较高，方向图不够理想等问题，本文设计一款工作于太赫兹频段的Vlasov天线。利用三维电磁仿真软件对其进行模拟仿真，通过优化设计使天线的各项性能指标达到最佳。该天线是由圆波导演变而来，相比于圆波导，该天线的方向图特性和最大增益都有所改善。为了进一步提高天线性能，就必须对其进行改进，从而大大提高其方向图特性和最大增益。仿真结果表明，其最大增益可以达到15.7 dB，回波损耗S11在280 GHz到320 GHz频率范围内均小于−10 dB，辐射模式为单向波束和线极化辐射特性，从而解决了高功率微波器件中远场方向图轴向为零的问题。

高功率微波源(HPM)一般指峰值功率在100 MW 以上，工作频率在300 MHz~300 GHz 内的电磁波。

HPM 的崛起是由近代微波理论和技术的迅速发展而推动起来的。它极大地促进了高功率雷达、超级干扰机、等离子物理和HPM 武器等的发展[1]。然而，许多高功率微波器件都有着旋转轴对称模式，例如虚阴极振荡器、相对论返波管、多波契论克夫发生器等，由于旋转轴对称几何结构，它们的输出模式也都是圆波导轴对称模，即TM01 模、TE0n 模[2]。这种输出模式的缺点之一就是其远场方向图在轴向上为零， 这对天线的辐射非常不利。为了改善这一缺点，就必须重新设计整个辐射系统，从而获得单向波束以及线极化的辐射特性[3] [4]。其中一种解决方案为Vlasov 天线，即本文所要研究的对象，它是圆波导的一种演变，它是将圆波导的末端以某种形状切割形成非对称结构，按切口形状的不同可以分为阶梯型和斜切型Vlasov 天线[5] [6]。然而，目前Vlasov 天线的设计还存在以下几方面问题：首先，传统Vlasov天线，虽然结构较为简单，但是它的方向图特性可能不够理想，导致增益不高。其次，由于切口设计不合理，可能仍旧存在波束宽度和副瓣电平未达到预期指标的问题。再次，为了改善性能，可能会引入二级反射面，但这会导致天线体积增大，结构不够紧凑[7] [8]。另外，COBRA 天线分析表明，改变口径场的轴对称性会影响频带宽度，这也是Vlasov 天线需要考虑的问题之一[9]。最后，由于高功率微波应用对天线的稳定性要求很高，因此需要确保Vlasov 天线在长时间高功率运行条件下能够保持稳定的性能[10]。

本文的研究目标是太赫兹频段的高增益Vlasov 天线，目的是设计出一款各项性能指标最佳的天线模型，需要考虑的主要技术指标包括：回波损耗S11、电压驻波比VSWR、最大增益、主瓣宽度、主瓣方向、副瓣电平和方向图特性等。通过优化设计，使其天线结构紧凑、增益提高、方向图良好、波速宽度较宽、副瓣电平较低，其中回波损耗S11 在280 GHz 到320 GHz 频率范围内均小于−10 dB，可认为匹配良好。

2. 天线结构与模拟仿真 Vlasov 天线的引入能够很好地解决高功率微波器件远场方向图轴向为零的问题，且具有结构紧凑简单的优点。

在本节中要设计一个各项性能指标都最佳的天线， 其中主要参考的性能指标包括回波损耗S11、电压驻波比VSWR、最大增益、主瓣宽度、副瓣电平、主瓣方向和方向图特性。设计流程为：首先将天线的大体框架搭建出来，一开始对各个结构参数并不做要求，只是根据相关文献将参数确定在一个比较