虽然21世纪是一个固态半导体器件的时代,但是电真空器件在很多领域仍有着广泛的应用。因为随着微波波长达到毫米级,固态器件已不能满足高频率、高功率的要求。许多微波发生器,特别是高功率微波源,产生轴对称模式的输出,例如圆波导TE01模,同轴TEM模。如果这种模式照射到天线口径直接辐射,将产生一个轴向为零的圆环状方向图。适合这种轴对称模式的天线正在设计中,但增益都比较低,而且方向图的峰值增益随着频率而改变。改变轴对称模式为其他理想辐射模式的转换技术(例如,圆波导TE01模到TE11模)是可行的,但模式转换的效率、体积和额外的成本对整个天线系统的设计起着很大的负面影响。本文介绍了两类天线:Vlasov天线和COBRA天线,它们直接使用轴对称模式为馈源,辐射产生高增益的方向图。本文的主要工作如下:1.运用几何光学理论分析了Vlasov天线的工作机理,借助于矢量绕射理论推导了Vlasov天线的辐射公式,对Vlasov天线的结构参数进行了优化,对优化后的结果进行了软件模拟。此外,对Vlasov喇叭天线进行了简单设计。其中Vlasov单反射面天线的最大增益为23.5dBi,而Vlasov喇叭天线的最大增益为21.3dBi,两者的主瓣方向都不在轴向上,偏离馈源中心64°。2.详细阐述了COBRA天线的工作原理,推导了反射表面的结构公式,分别利用口径场法和面电流法对COBRA天线的辐射公式进行了推导,通过数值计算和软件模拟对COBRA天线的辐射方向图和极化方式进行了分析和对比,两者结果基本吻合。COBRA天线的最大增益可达27.5dBi,峰值方向位于天线的轴向上,主瓣宽度比较窄,旁瓣电平也很低,产生一个位于轴向上的笔状波束。3.运用几何光学理论解释了COBRA透镜天线的工作原理,设计了一种喇叭型的传统透镜天线。整个天线的结构比较长,如果直接缩小喇叭的长度,就会因大的喇叭口径张角而增加相位误差,进而导致天线的增益下降。为了克服这个问题,提出了一种新型的小型化方案。通过改进型的透镜设计,补偿了传统COBRA透镜天线的相位误差。此外,在口径面内侧添加了一层1/4波长的匹配层,减少了透镜的反射。小型化方案可以实现增益和辐射方向图与传统COBRA透镜天线类似,而长度仅有原来的1/3大小。