随着高功率微波技术的发展,对辐射天线的要求不再局限于高功率,而是在保证高功率的前提下,对辐射天线提出了多功能和多用途的应用需求,包括极化转换和波束扫描等要求。本文提出了可用于高功率微波辐射系统的埋入式结构,并基于此结构分别设计了折线栅极化转换天线罩和圆极化相移表面系统。通过对相应结构的理论分析、仿真计算优化以及实验验证,分别实现了极化转换天线罩的极化转换和高功率容量特性,以及圆极化相移表面的波束扫描和高功率容量特性。为后续采用极化转换表面和相移表面实现极化转换和波束扫描的复合功能研究奠定了基础。本文主要围绕高功率极化转换天线罩和高功率圆极化相移表面展开研究,主要工作可以概述为如下四个方面:1、高功率极化转换天线罩的设计与分析。针对传统极化转换器的低功率容量,提出了一种新型埋入式折线栅极化转换天线罩。完成传输线模型理论分析后,采用仿真软件对单元结构进行参数分析优化,结果显示实现极化转换的带宽可以达到7.1%。单元和整体结构的仿真结果显示,当波束扫描角度θ≤30°时,在不影响其他辐射特性基础上实现了圆极化波到线极化波的转换。不同辐射角度的场强分布显示,以X波段58单元径向线螺旋阵列天线为馈源时,极化转换天线罩的理论功率容量稳定在100 MW左右,通过与传统折线栅极化转换天线罩的功率容量(4.5 MW)对比,验证了埋入式结构能提升功率容量的效果。2、高功率极化转换天线罩的研制与实验。根据实际加工条件,将天线罩结构优化为分离式天线罩结构。单元和整体结构的仿真结果显示,当波束扫描角度θ≤25°时,在不影响其他辐射特性基础上实现了圆极化波到线极化波的转换;以X波段58单元径向线螺旋阵列天线为馈源时,天线罩在不同辐射角度时的功率容量维持在90 MW以上。极化转换天线罩结构参数的敏感性分析结果显示,折线宽度w的变化对于转换后的轴比特性影响较大,并据此指导加工的精度控制;天线罩实物测试结果显示,极化转换天线罩的加载并未影响其他辐射特性;在不同辐射角度时,极化转换后的测试轴比约为17 dB,成功将圆极化波转换为线极化波。3、高功率圆极化相移表面的设计与分析。基于相移表面的相位调控特性,提出了埋入式的开口圆环相移结构。采用仿真软件对相移单元结构参数进行分析优化,旋转优化后的单元结构后,透射系数大于-1 dB的相对带宽为3.6%;从理论和仿真角度阐述了旋转角度与相移量的2倍关系,并归纳总结了入射圆极化波与旋转方向的正、负映射关系;以单元优化结果构建了多个单层的相位梯度表面,仿真结果显示,单层相移表面实现了多个角度的波束偏转;以X波段58单元径向线螺旋阵列天线为馈源时,其功率容量维持在10 MW左右。4、高功率双相移表面系统波束扫描研究。基于双棱镜系统模型,以开口圆环相移表面建立双相移表面系统。从双相移表面系统各自的旋转角度出发,通过旋转相移表面,得出波束扫描俯仰角和方位角的仿真值,并与双棱镜系统模型的公式进行对比,验证了双棱镜系统模型应用到双相移表面系统的可行性。相反地,从波束扫描的俯仰角和方位角出发,详细阐述了逆向求解双相移表面旋转角度的过程,并以一实例进行了验证说明。双相移表面系统的电场分布显示,以X波段60单元圆形螺旋阵列天线为馈源时,其理论功率容量为30.5 MW。高功率圆极化相移表面研究结果显示,单层相移表面实现波束偏转的俯仰角固定,旋转单层表面后得到的主波束轨迹是一个锥面;而双相移表面系统实现波束扫描的俯仰角更灵活,波束覆盖范围更大,旋转双表面后得到的轨迹是一个锥体,实现了波束扫描的灵活控制。