高增益空間功率合成天線的研究

　　1 引言

　　在通信對抗領(lǐng)域，要獲得很大的微波干擾功率有兩種方法：一是采用固態(tài)功率合成技術(shù)，但研制超大功率受到高壓電源和高功率器件等因素的限制;二是利用空間功率合成技術(shù)大幅度提高干擾功率，這能突破功率器件的制約，得到更強大的干擾功率。利用多個天線單元發(fā)射頻率相同、相位符合特定關(guān)系的電磁波，使之在空間傳播過程中相互疊加合成，從而在一定方向上形成電磁波束的技術(shù)稱為空間功率合成技術(shù)。空間功率合成的各路功放并行工作，各路信號通過低耗波導傳播到空中進行合成，具有較高的合成效率，因而得到了廣泛的應(yīng)用。

　　本文主要研究在不增加喇叭路數(shù)(即不增加大功率微波功放的數(shù)量，這是控制系統(tǒng)成本常常需要考慮的問題)情況下，如何進一步提高喇叭線陣偏饋拋物柱面型空間功率合成天線的增益。在保持喇叭路數(shù)不變的情況下，用角錐喇叭代替扇形喇叭作為饋源單元，線陣的長度增大，拋物柱面的口徑同時增大，天線增益提高，但過大的陣元間距會使天線方向性圖出現(xiàn)柵瓣[4]，導致非干擾方向出現(xiàn)功率泄漏。本文提出用功分喇叭作為線陣單元，使拋物柱面天線的口面場分布更均勻，提高了拋物柱面天線的口徑利用效率，克服角錐喇叭線陣饋源產(chǎn)生柵瓣的缺點，進一步提高了空間功率合成天線的增益。

　　2 天線結(jié)構(gòu)描述

　　拋物柱面空間功率合成天線包括多個天線單元組成的線性饋源陣列和拋物柱面反射板。空間功率合成的原理示意圖和偏饋拋物柱面天線結(jié)構(gòu)如圖1所示。微波信號經(jīng)過分路器分成若干路依次接上移相器和功放通過波導對喇叭單元進行饋電。為了實現(xiàn)水平極化，16路喇叭E面水平放置以D為陣元中心間距組成陣列放在拋物柱面的焦線位置作為饋源，微波信號由喇叭發(fā)射經(jīng)過拋物柱面反射后在空中進行高功率合成。拋物柱面天線的俯視圖和側(cè)視圖如圖2所示，天線采用偏饋的形式，為了避免了拋物柱面反射波對饋源的影響，截去拋物柱面張角小于Y0=5o的部分。拋物柱面夾角為Y=55o，最大張角為Y0+Y=60o，喇叭的照射角度為Ym=32.5o，Ym為拋物柱面夾角的平分線指向。拋物柱面的水平投影寬度為T。拋物柱面的高度為H，為了減少拋物柱面的后向輻射，H比喇叭陣列的垂直面總高度兩邊分別多留出H0=0.625l的高度，拋物柱面的有效口徑尺寸為T*H。拋物面的焦距為F=12.5l。

　　拋物柱面天線的水平面尖銳波束通過拋物面反射形式形成，垂直面尖銳波束通過喇叭組陣的方式形成。水平面和垂直面的波束寬度可獨立調(diào)整，通過移相器對饋電相位的調(diào)整，合成波束可在垂直面進行電掃描。不失一般性，本文所有頻率對工作的中心頻率f0歸一化，所有尺寸為電尺寸，其中

為f0對應(yīng)空氣中的波長。

　　本文比較了不同饋源的三副空間功率合成天線，天線一用E面扇形喇叭線陣作為饋源，天線二用角錐喇叭線陣作為饋源，天線三用功分喇叭線陣作為饋源，拋物柱面的焦距和張角保持不變，拋物面高度H隨著喇叭的H面口徑作相應(yīng)的調(diào)整。

　　三副天線對應(yīng)的饋源陣列示意圖如圖3所示。圖3(a)為饋源一的H面示意圖，圖3(b)為其E面示意圖，矩形波導口徑尺寸a=0.794

，b=0.397

，波導工作于TE10模，喇叭E面口面場為均勻分布，H面口面場為余弦分布。D1為饋源一的陣元中心間距，饋源一對應(yīng)的拋物柱面天線高度H=16*D1+2*H0。C=1.979

為喇叭的長度，A1=a為喇叭的H面口徑尺寸，調(diào)整喇叭的E面口徑尺寸B1，當拋物柱面天線的增益最高時確定B1取值。天線二對應(yīng)的饋源二的示意圖和尺寸如圖3(c)，(d)所示，饋源二是張開饋源一中E面扇形喇叭的H面口徑形成角錐喇叭，喇叭H面口徑為A2，喇叭的單元間距加大為D2，此時拋物柱面高度H=16*D2+2*H0。

　　調(diào)整喇叭的E面口徑B2，當拋物柱面天線的增益最高時確定B2取值。天線三對應(yīng)的饋源三的示意圖和尺寸如圖3(e)，(f)所示，饋源三是延長饋源二中的角錐喇叭的張口，并在口面中間加水平金屬劈來改變喇叭口面場分布，形成功分喇叭，該喇叭的H面口徑A3與饋源二中A2相等，陣元間距D3也與D2相等。喇叭的E面口徑B3確定也以拋物柱面天線增益最高為標準。三副天線的主要參數(shù)對比如表I所示。

　　圖1 偏饋拋物柱面天線結(jié)構(gòu)示意圖

　　(a)俯視圖，(b)側(cè)視圖

　　圖2 偏饋拋物柱面天線

　　(a)扇形喇叭線陣H面，(b)扇形喇叭E面

　　(c)角錐喇叭線陣H面，(d)角錐喇叭E面

　　(e)功分喇叭線陣H面，(f)功分喇叭E面

　　圖3 喇叭饋源陣列的示意圖

　　3 計算結(jié)果

　　本文用FEKO軟件對上述的三副天線進行計算，喇叭饋源部分用矩量法求解，拋物柱面反射板部分用物理光學方法求解，在保證計算準確度的同時，節(jié)省計算機內(nèi)存容量和計算時間。三種饋源喇叭單元的駐波比如圖4所示，扇形喇叭，角錐喇叭和功分喇叭的駐波比在工作頻帶內(nèi)均小于1.3，三種喇叭的匹配性能良好。三副天線的E面方向性圖如圖5所示，H面方向性圖如圖6所示，三副天線的增益、半功率角、口徑利用效率如表II所示。

　　從增益來看，由于天線二張開了天線一的E面扇形喇叭的H面口徑，天線二的H面口徑較大，故天線二的增益比天線一的增益高出2dB，這證明了在相同的喇叭路數(shù)情況下，用角錐喇叭線陣作為饋源比扇形喇叭線陣作為饋源的拋物柱面天線具有更高的增益。從口面利用效率來看，由于天線二張開了扇形喇叭的H面口徑，口面場變得更加不均勻，天線二的口面利用效率下降到68.9%;雖然天線三張開了扇形喇叭的H面口徑，但由于金屬劈對口面場的分隔作用，口面場變得更加均勻，天線的口面利用效率提升到77%，所以在相同的口徑尺寸情況下，天線三比天線二的增益高0.5dB。從波束覆蓋范圍來看，由于天線增益的提高，天線三和天線二的半功率角都比天線一的更窄。從方向性圖來看，天線二的饋源陣元間距大于

，H面方向性圖在43度方向出現(xiàn)柵瓣，引起空間功率合成天線在非干擾方向出現(xiàn)大功率泄漏，天線三采用功分喇叭線陣作為饋源，克服了角錐喇叭線陣產(chǎn)生柵瓣的缺點，空間功率合成無大功率泄漏。

　　圖4 喇叭單元的駐波比

　　圖5 偏饋拋物柱面天線的E面方向性圖

　　圖6 偏饋拋物柱面天線的H面方向性圖

表II 偏饋拋物柱面天線的主要性能對比

　　　4 結(jié)論

　　本文研究了分別用E面扇形喇叭線陣，角錐喇叭線陣，功分喇叭線陣作為饋源的偏饋拋物柱面空間功率合成天線。在喇叭路數(shù)相同的情況下，角錐喇叭線陣作饋源的拋物柱面天線增益比E面扇形喇叭線陣作饋源的增益更高，但口徑利用效率下降，波束覆蓋范圍變窄，當角錐喇叭線陣的陣元間距過大時天線的H面方向性圖出現(xiàn)柵瓣。與角錐喇叭線陣作饋源的拋物柱面天線相比，功分喇叭線陣作饋源的天線口面場分布更均勻，能克方向性圖出現(xiàn)柵瓣的缺點，口徑利用效率提高。在不增加喇叭路數(shù)(不增加大功率功放成本)的情況下，實現(xiàn)更高的空間功率合成天線增益的較好方法是采用功分喇叭線陣作饋源。