S波段寬帶圓極化反射面天線口徑合成陣列設(shè)計

徐剛施美友屈勁胡進(jìn)光

(中國工程物理研究院應(yīng)用電子學(xué)研究所 高功率微波技術(shù)重點實驗室,四川 綿陽 621900)

摘要為了實現(xiàn)固態(tài)源的寬頻帶空間功率合成,提出采用背射式的S波段寬帶圓極化螺旋天線作為口徑合成的反射面單元的饋源,避免饋線和副反射面對口面的遮擋．在同軸末端設(shè)計了折疊式扼流槽,抑制沿饋線的表面電流對饋源方向圖的擾動,通過對錐形螺旋的幾何參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化,獲得了38%的百分比帶寬．對反射面單元和7元口徑陣進(jìn)行了仿真設(shè)計,仿真結(jié)果表明:口徑陣工作帶寬為2.3～3.4 GHz,帶寬范圍內(nèi)增益大于31.5 dB,軸比低于3 dB．

關(guān)鍵詞口徑陣;圓極化;背射螺旋天線;空間功率合成

中圖分類號TN823`+.27

文獻(xiàn)標(biāo)志碼A

文章編號1005-0388(2015)04-0723-06

AbstractAn S-band wideband circular reflector aperture array was designed used for spatial power combining based on solid state microwave source, the reflector element employed a novel back-fired helix antenna as the feeder, so that to avoid the aperture blockage by fed line or the sub-reflector. The helix feed was tapered to obtained wider bandwidth, 38% percent band width was obtained after optimization of the geo-parameters, then the reflector element and the aperture array were simulated and design, the results were that frequency band is from 2.3 GHz to 3.4 GHz, the gain in the band is greater than 31.5 dB, and the axial ratio is lower then 3 dB.

收稿日期：2014-09-07

作者簡介

Design of an S-band wideband circular reflector aperture

array used for spatial power combining

XU GangSHI MeiyouQU JinHU Jinguang

(ScienceandTechnologyonHighPowerMicrowaveLaboratory,InstituteofApplied

Electronics,CAEP,MianyangSichuan621900,China)

Key words aperture array; circular polorized; back-fired helix antenna; spatial power combining

引言

全固態(tài)微波源具有體積小、重量輕、便于維護(hù)、可靠性高、效率較高等優(yōu)勢,逐漸在很多應(yīng)用領(lǐng)域取代了電真空管[1-2]．利用大口徑反射面天線輻射固態(tài)源的大功率微波時,將面臨大口徑反射面天線加工難度大、成本高,多個模塊微波源的路合成損耗較高等難題．而由多個較小口徑的反射面天線組成口徑陣列,實現(xiàn)多模塊固態(tài)微波源的口徑合成,是實現(xiàn)固態(tài)源大功率微波源高增益輻射的有效途徑之一．

資助項目: 高功率微波技術(shù)重點實驗室基金(2013HPM07)

聯(lián)系人： 徐 剛 E-mail：xugangthu@163.com

口徑合成技術(shù)在射電望遠(yuǎn)鏡、深空探測和通信中有很多成功應(yīng)用[3-7],通過較小口徑的反射面天線組陣,通過信號處理實現(xiàn)口徑合成,提高射電望遠(yuǎn)鏡的增益和空間分辨率．國內(nèi)也開始探索采用口徑陣實現(xiàn)較低功率微波源的功率合成,陳鑫和謝澤明等對X波段的線極化口徑陣進(jìn)行了設(shè)計與實驗研究[8-9],江志浩等學(xué)者則側(cè)重于分析相位誤差對口徑陣功率合成效率的分析[10-11]．本文提出了基于寬帶圓極化反射面天線的7元口徑陣,用于S波段寬帶固態(tài)微波源的空間功率合成.論文首先給出了7元口徑陣的組成結(jié)構(gòu);提出了采用一種新型背射式寬帶圓極化螺旋饋源,以減小饋線和副面遮擋,并對饋源進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計;對反射面單元和口徑陣的合成性能進(jìn)行了仿真分析．

1口徑陣的組成

多臺口徑陣進(jìn)行空間功率合成時,合成后的等效輻射功率(Effective Isotropic Radiated Power,EIRP)與口徑輻射單元的數(shù)目呈平方關(guān)系快速增長,理論的等效輻射功率PEIRP表示為

PEIRP=N2GePe.

(1)

式中: N為用于組陣的口徑輻射單元數(shù)目; Ge為口徑輻射單元的增益; Pe為口徑輻射單元的發(fā)射機(jī)功率．

S波段寬帶圓極化反射面天線口徑陣的組成如圖1所示,7個陣元呈等邊三角形緊密排列,由公式(1)可知,本文口徑陣的等效輻射功率將比輻射單元提高16.9 dB．每個拋物反射面天線口面直徑D為800 mm,焦徑比f/D為0.35,寬帶圓極化饋源位于拋物反射面的焦點處,口徑陣的主波束方向為拋物面旋轉(zhuǎn)軸線方向．

圖1　口徑陣天線陣型

拋物反射面天線的工作原理是將饋源輻射出的電磁波作等光程相位校正,其工作帶寬和極化特性基本取決于饋源的帶寬和極化特性,因此,寬帶圓極化饋源是實現(xiàn)寬帶低副瓣圓極化天線的關(guān)鍵．口徑陣的期望工作頻率范圍是2.3～3.4 GHz,百分比帶寬接近40%,若采用常規(guī)的單脈沖圓極化振子或圓極化器+喇叭等類型的饋源,不僅在尺寸上難以滿足小口徑反射面天線的緊湊化需求,也難以實現(xiàn)近40%的工作帶寬．因此必須設(shè)計緊湊型的寬帶圓極化饋源,在滿足系統(tǒng)工作帶寬要求下,降低對口面的遮擋．

2寬帶圓極化饋源優(yōu)化設(shè)計

采用后饋方式可以避免饋線對口面的遮擋,但常規(guī)的后饋式反射面天線都有副反射面,對于本文中小口徑的反射面,副面造成的遮擋對增益損失較大．為了實現(xiàn)后饋并避免副反射面對口面造成的遮擋,采用背射式螺旋天線作為饋源,其特點是:饋源輻射方向為背面,這樣饋線就可從拋物反射面中心穿出,不會對口徑造成遮擋．

螺旋天線產(chǎn)生軸向輻射的條件為每圈導(dǎo)體上的電流同相疊加,即相鄰兩圈的相位差為2π的整數(shù)倍,對于其中一圈來說,就是電流沿螺旋線爬行一周的相移與沿軸向傳播的表面波傳播一個螺距產(chǎn)生的相移之間的差為2π,表示為

(2)

式中: c為光速; λ為波長; L為一圈螺線的展開長度; v為電流沿螺旋爬行的速度; S為螺距．螺線天線的軸比rax與螺旋幾何尺寸之間的關(guān)系表示為

(3)

式中,α為螺旋線的螺旋升角．當(dāng)反射板半徑小于或等于螺旋半徑時,輻射波束即為背向．

從式(2)和式(3)可以看到,螺旋線的幾何尺寸和波長相關(guān),為了獲得較寬的工作帶寬,采用結(jié)構(gòu)如圖2所示的倒錐形漸變螺旋結(jié)構(gòu),以輻射頻帶內(nèi)不同波長的微波,且結(jié)構(gòu)簡單緊湊．

初步仿真發(fā)現(xiàn),由于饋線在背射式天線的主波束方向上,同軸開路端口激勵起的電流會沿饋線外筒壁爬行,使方向圖出現(xiàn)歪斜和畸變,因此在同軸饋口的外導(dǎo)體處增加了λ/4的扼流槽,用于抑制沿饋線外導(dǎo)體的爬行電流,降低對方向圖的擾動．

圖2　S波段背射式螺旋天線饋源結(jié)構(gòu)

如圖2中,螺旋饋源外輪廓為倒錐形,底部螺旋半徑為R1、頂部螺旋半徑為R2,底部螺距為H1、頂部螺距為H2,導(dǎo)體直徑為d,同軸饋線的內(nèi)外導(dǎo)體之間用聚四氟乙烯(εr=2.1)填充,在適當(dāng)位置插入了一段介電常數(shù)更高的尼龍材料(εr=3.4),通過調(diào)節(jié)尼龍?zhí)畛涠蔚奈恢煤烷L度,可實現(xiàn)寬頻帶的阻抗匹配．

采用CST仿真軟件對饋源的螺旋繞線圈數(shù)N、螺旋半徑R1和R2、螺距H1和H2、扼流槽深度D、尼龍阻抗匹配段長度Ln進(jìn)行全局優(yōu)化,優(yōu)化得到的端口反射系數(shù)曲線如圖3所示,在期望的工作頻帶2.3～3.4 GHz范圍內(nèi),其反射系數(shù)S11均低于14 dB．

圖3　饋源的端口反射系數(shù)曲線

NR1R2H1H2DLn8.59387.582819.9

圖4所示為饋源在工作頻帶內(nèi)4個典型頻點的方向圖,可以看到,饋源的方向圖均為背射,增益也保持基本一致,在8.1～8.8 dB范圍內(nèi)變動,且軸比在3 dB以內(nèi),滿足S波段寬帶圓極化反射面天線對饋源的要求．

(a) f=2.3 GHz　　　　　(b)f=2.6 GHz

(c) f=3.0 GHz　　　　　(d)f=3.4 GHz 圖4　饋源在4個典型頻點的方向圖

3口徑陣單元輻射性能

反射面單元直徑為φ800 mm的拋物反射面,焦徑比f/D為0.35,將饋源的等效相位中心放置于拋物反射面的焦點,由于饋源不同頻點的焦點位于不同位置,因此通過仿真分析了改變饋源放置位置整個帶寬范圍內(nèi)反射面天線的增益情況,綜合選取最佳的饋源安裝位置．

優(yōu)化得到的反射面天線結(jié)構(gòu)如圖5所示,饋源中心離反射面底部距離F為285 mm,同軸饋線從反射面中心穿出,給位于焦點的螺旋天線饋電．

圖5　反射面陣元天線仿真模型

(a) 增益

(b) 軸比 圖6　反射面天線在Z軸方向上增益和軸比 隨頻率的變化曲線

Z軸方向上的增益和軸比隨頻率的變化曲線如圖6所示,在工作頻帶2.3～3.4 GHz內(nèi),反射面單元的增益均在23 dB以上,對應(yīng)的軸比也低于3 dB．當(dāng)利用大量陣元組成口徑陣時,可通過對不同陣元饋源螺旋的初始角度進(jìn)行合理布置,進(jìn)一步改善口徑陣在主波束指向上的軸比特性．

4口徑陣合成性能

按圖1中所示的陣形組成口徑陣,各陣形同相激勵,且螺旋饋源初始方向保持一致,通過仿真分析口徑陣的輻射特性．圖7為口徑陣在中心頻率2.85 GHz的表面電流分布,7個陣元端口的有源反射系數(shù)相比于圖3中的饋源反射系數(shù),帶寬無明顯變化,在2.3～3.4 GHz范圍內(nèi)低于-13 dB．

圖7　口徑陣反射面上的面電流分布(f=2.85 GHz)

圖8為口徑陣不同頻率的增益和軸比變化曲線與反射面單元的對比,口徑陣相比單元增益理論上可提高8.45 dB.從圖8(a)結(jié)果看,監(jiān)測的5個頻點,口徑陣的增益最低提高了8.35 dB,對應(yīng)的口徑合成效率在95%以上．由圖8(b)可見,口徑陣的軸比隨頻率的變化趨勢與反射面單元一致,帶寬內(nèi)的軸比低于3 dB．

(a) 增益

(b) 軸比 圖8　不同頻率下口徑陣與陣元的 增益和軸比對比

在基于口徑陣的空間功率合成過程中,反射面單元加工誤差帶來的后果主要是輻射相位的不一致性,從而對合成效率造成影響．加工不確定性導(dǎo)致的相位誤差往往是正態(tài)隨機(jī)分布的,可采用式(4)計算口徑陣的期望功率合成效率[12]為

(4)

式中:N為用于功率合成的陣元數(shù);τ為隨機(jī)相位誤差正態(tài)分布函數(shù)下降1/e對應(yīng)的角度,rad．因此,對于本文中的7元口徑陣列,只要相位誤差的分布參數(shù)τ小于30°,期望合成效率的下降將低于0.5 dB．

5結(jié)論

設(shè)計了用于固態(tài)源空間功率合成的寬帶圓極化口徑陣．采用一種新型的后饋式螺旋天線作為饋源,降低了饋線和副面對小口徑反射面天線口面的遮擋,圓極化螺旋饋源設(shè)計為倒錐結(jié)構(gòu)以拓展工作帶寬．通過仿真方法優(yōu)化設(shè)計了螺旋的幾何參數(shù),實現(xiàn)了38.5%的百分比帶寬．對7個反射面單元組成的口徑陣進(jìn)行了仿真分析,仿真結(jié)果表明,口徑陣在工作帶寬2.3～3.4 GHz范圍內(nèi)的反射系數(shù)低于-13 dB,增益高于31.5 dB,主軸方向上的軸比均低于3 dB,可在寬頻帶范圍內(nèi)實現(xiàn)固態(tài)大功率微波源的圓極化空間功率合成．

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徐剛(1984-),男,云南人,博士，中國工程物理研究院應(yīng)用電子學(xué)研究所高功率微波技術(shù)重點實驗室副研究員．發(fā)表學(xué)術(shù)論文二十余篇．主要研究方向為高功率微波天線、大功率毫米波天線和陣列綜合理論和技術(shù)等．

施美友(1985-),男,浙江人,碩士，中國工程物理研究院應(yīng)用電子學(xué)研究所高功率微波技術(shù)重點實驗室助理研究員,主要研究方向為高功率微波天線、大功率毫米波高效傳輸和測試技術(shù)等．

屈勁(1974-),男,四川人,碩士，中國工程物理研究院應(yīng)用電子學(xué)研究所高功率微波技術(shù)重點實驗室副研究員,主要研究方向為大功率微波輻射系統(tǒng)、大功率毫米波高效傳輸技術(shù)和微波系統(tǒng)總體集成技術(shù)等．

胡進(jìn)光(1972-),男,四川人,學(xué)士，中國工程物理研究院應(yīng)用電子學(xué)研究所高功率微波技術(shù)重點實驗室研究員,碩士生導(dǎo)師,中國電子學(xué)會電子對抗分會航天電子對抗專委會委員，主要研究方向為高功率微波源、系統(tǒng)總體集成技術(shù)等．

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