用于高功率微波測(cè)量的圓極化微帶陣列天線

陳鵬等

摘 要： 在進(jìn)行高功率微波（HPM）輻射場(chǎng)測(cè)量時(shí)，測(cè)量天線的極化匹配對(duì)測(cè)量精度影響較大。為提高測(cè)量精度，介紹一種微帶圓極化陣列天線，采用功分器作為饋電網(wǎng)絡(luò)，獲得了小于1 dB的軸比，與非陣列圓極化微帶天線相比，使軸比降低約1 dB。因此，當(dāng)采用該圓極化陣列天線測(cè)量線極化微波的遠(yuǎn)場(chǎng)輻射時(shí)，使極化失配對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響由±13%降至[±3.6]%左右。

關(guān)鍵詞： 輻射場(chǎng)測(cè)量； 圓極化； 陣列天線； 高功率微波

中圖分類(lèi)號(hào)： TN821+.1?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2015）17?0084?03

Circularly polarized microstrip array antenna applied to

high power microwave measurement

CHEN Peng1， 2， NING Hui2， JING Hong2， NIE Xin1， 2， MAO Congguang1， 2

（1. State Key Laboratory of Intense Pulsed Radiation Simulation and Effect， Xian 710024， China；

2. Northwest Institute of Nuclear Technology， Xian 710024， China）

Abstract： The polarization matching of measurement antenna has great impact on measurement accuracy while measuring the radiation field of high power microwave （HPM）. A circularly polarized microstrip array antenna is introduced to improve the measurement accuracy. Taking power divider as feed network， the axial ratio of better than 1 dB is acquired. Compared with circularly?polarized microstrip antenna with non?array， this method makes the axial ratio reduce by about 1 dB. When the array antenna is used to measure far field radiation of the linear polarized microwave， the influence of polarization mismatching on the measuring results is reduced from ±13% to ±3.6% approximately.

Keywords： radiation field measurement； circular polarization； array antenna； high power microwave

0 引 言

HPM輻射場(chǎng)測(cè)量是研究高功率微波輻射特性的重要手段和獲得高功率微波輻射功率密度的主要途徑。國(guó)內(nèi)外常采用線極化的開(kāi)口波導(dǎo)[1?2]或標(biāo)準(zhǔn)增益喇叭天線作為測(cè)量天線。在實(shí)際測(cè)量時(shí)，需要將開(kāi)口波導(dǎo)或標(biāo)準(zhǔn)增益喇叭天線的極化方向與電磁場(chǎng)極化方向?qū)?zhǔn)，否則將導(dǎo)致極化失配，降低測(cè)量精度。

采用線極化測(cè)量天線進(jìn)行EMI測(cè)量時(shí)，由于干擾信號(hào)極化方向未知，需在每個(gè)測(cè)量位置改變測(cè)量天線的極化方向，以保證測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性[3]。圓極化天線能夠接收任意極化方向的線極化電磁波，可以在一定程度上減少由極化失配引起的測(cè)量誤差，且不需事先確定待測(cè)信號(hào)的極化方向，因此曾有人提出采用圓極化對(duì)數(shù)周期陣子天線測(cè)量電磁干擾的方法[4]。

圓極化天線在HPM輻射場(chǎng)測(cè)量中的應(yīng)用較少，本文利用微帶天線易于組陣的特點(diǎn)，根據(jù)特定的方法組成微帶圓極化天線陣列，減小了軸比，提高了圓極化純度，為HPM輻射場(chǎng)測(cè)量提供了一種新的測(cè)量方式。

1 圓極化微帶天線設(shè)計(jì)與研制

1.1 矩形圓極化微帶天線

矩形微帶天線的設(shè)計(jì)尺寸[5]如式（1），式（2）所示：

[W=c2frεr+12-12] （1）

[L=c2frεe-2Δl] （2）

式中：[W]為矩形寬度；[L]為矩形長(zhǎng)度；[fr]為諧振頻率；[c]為光速；[εr]為微帶介質(zhì)板相對(duì)介電常數(shù)；[Δl]為邊緣效應(yīng)引起的等效長(zhǎng)度變化；[εe]為等效介電常數(shù)。

在矩形微帶天線對(duì)角線附近，利用同軸線饋電可以激勵(lì)起方向垂直，相位差為90°的兩個(gè)線極化波，從而實(shí)現(xiàn)天線的圓極化設(shè)計(jì)。利用計(jì)算軟件對(duì)饋電點(diǎn)位置和貼片尺寸進(jìn)行優(yōu)化，并根據(jù)圓極化微帶天線的工作頻段，得到矩形微帶天線的實(shí)際尺寸和饋電點(diǎn)位置。根據(jù)計(jì)算得到的天線參數(shù)，經(jīng)加工得到圓極化矩形微帶天線的實(shí)物圖如圖1所示。

對(duì)該天線軸比進(jìn)行測(cè)量，得到天線的軸比約2 dB。用于測(cè)量時(shí)，2 dB的軸比引入的測(cè)量誤差較大，因此必須考慮進(jìn)一步減小軸比，提高測(cè)量精度。

1.2 圓極化微帶陣列天線設(shè)計(jì)原理

假設(shè)某[n]元旋轉(zhuǎn)陣列由[n]個(gè)圓極化天線單元組成，各天線單元距天線陣中心距離相等。天線陣組成形式如圖2所示。

其中[?pm]為天線單元的旋轉(zhuǎn)角度。天線單元的遠(yuǎn)場(chǎng)輻射場(chǎng)強(qiáng)可表示為：

[Em（x，y）=am（x，y）xm+jbm（x，y）ym] （3）

若[am≠bm，]天線為橢圓極化。則天線陣的遠(yuǎn)場(chǎng)輻射場(chǎng)強(qiáng)可表示為：

[Etotal（x，y）=m=1MEm（x，y）=m=1Mam（x，y）xm+jbm（x，y）ym=m=1Ma1（x，y）jb1（x，y）cos（n?pm）sin（n?pm）-sin（n?pm）cos（n?pm）x1y1×exp（j?em-jψm） （4）]

式中：[?pm]為天線單元旋轉(zhuǎn)角度；[?em]為天線單元的饋電相位；[ψm]為第[m]個(gè)天線單元的相位延遲，且[ψm=（m-1）k0dmsinθm；][p]為某一正整數(shù)；[n]為天線單元工作模式的個(gè)數(shù)。

將矩形圓極化微帶天線按一定旋轉(zhuǎn)角度組合在一起，并饋入不同相位的信號(hào)，當(dāng)天線的旋轉(zhuǎn)角度及饋電相位[6]滿足式（3）時(shí)，天線陣的軸比遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其組成單元的軸比。

[?em=（m-1）pπM，?pm=（m-1）pπnM， 1≤m≤M] （5）

在天線陣主軸方向，將式（5）代入式（4）得到：

[Etotal=m=1Ma1（0，0）cos（m-1）pπM-jb1（0，0）sin（m-1）pπM?cos（m-1）pπM+jsin（m-1）pπM?x1+a1（0，0）sin（m-1）pπM+jb1（0，0）cos（m-1）pπM?cos（m-1）pπM+jsin（m-1）pπM?y1 （6）]

令[α=-pπM，][β=pπM，]并根據(jù)三角公式：

[m=1Msin（α+mβ）=sinMβ2sinβ2sinα+12（M+1）βm=1Mcos（α+mβ）=sinMβ2sinβ2cosα+12（M+1）β] （7）

得到：

[Etotal=M2?a1（0，0）+b1（0，0）?（x1+jy1）+12a1（0，0）-b1（0，0）?（x1-jy1）?sin（pπ）sinpπM?expjM-1Mpπ （8）]

式（8）即為滿足式（5）中旋轉(zhuǎn)角度及饋電相位關(guān)系的圓極化微帶天線陣主軸方向遠(yuǎn)場(chǎng)輻射場(chǎng)表達(dá)式。其中總電場(chǎng)分為兩部分：第一部分是純圓極化場(chǎng)，第二部分是交叉極化場(chǎng)，而第二部分可以通過(guò)使[a=b]或者適當(dāng)選擇[p]與[M]消除。由于設(shè)計(jì)純圓極化（[a=b]）的天線單元較難，因此通過(guò)適當(dāng)選擇[p]與[M]消除交叉極化，從而獲得軸比較小的圓極化天線陣。本文中圓極化天線陣選擇的參數(shù)為[p=2，][M=4，]陣列形式如圖3所示。

利用計(jì)算軟件對(duì)天線陣進(jìn)行數(shù)值模擬并優(yōu)化設(shè)計(jì)尺寸，根據(jù)設(shè)計(jì)尺寸加工了圓極化微帶天線陣列，如圖4所示。

1.3 圓極化微帶陣列天線饋電電路

由設(shè)計(jì)原理可知，天線陣的饋入信號(hào)應(yīng)幅度相等、相位差為90°，采用一分四路功分器產(chǎn)生滿足要求的輸入信號(hào)，通過(guò)同軸電纜分別饋入天線陣的4個(gè)陣元，功分器如圖5所示。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

圓極化天線的軸比測(cè)試實(shí)驗(yàn)布局如圖6所示。實(shí)驗(yàn)中，開(kāi)口波導(dǎo)作為發(fā)射天線，圓極化微帶天線作為接收天線。為減少地面反射，開(kāi)口波導(dǎo)一側(cè)鋪設(shè)吸波材料。發(fā)射天線與接收天線連接矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，在設(shè)計(jì)頻段中選擇矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的掃描頻點(diǎn)，設(shè)置掃描時(shí)間為120 s。掃描過(guò)程中開(kāi)口波導(dǎo)隨步進(jìn)電機(jī)連續(xù)旋轉(zhuǎn)，掃描完成后矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的[S21]參數(shù)變化幅度即為圓極化接收天線的軸比。

從圖7可以看出，圓極化微帶陣列天線的實(shí)測(cè)軸比小于1 dB，而矩形微帶天線的實(shí)測(cè)軸比約2 dB，可見(jiàn)微帶陣列天線的圓極化程度明顯優(yōu)于單個(gè)的矩形微帶天線，驗(yàn)證了組陣方式的正確性。

3 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)并制作了基于90°混合饋電網(wǎng)絡(luò)的微帶圓極化陣列天線，通過(guò)將單個(gè)天線組成陣列的方式，使單個(gè)天線的軸比由2 dB減小到小于1 dB，減小了高功率微波輻射場(chǎng)測(cè)量過(guò)程中由極化失配引起的測(cè)量誤差，提高了測(cè)量精度。

參考文獻(xiàn)

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