側(cè)饋式緊湊型扁波導(dǎo)螺旋陣列天線的設(shè)計

趙瑋琛,張政權(quán),張健穹,劉慶想,李相強(qiáng),梁 源

(西南交通大學(xué) 物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,成都 610031)

伴隨著高功率微波技術(shù)的迅速發(fā)展,人們對其相關(guān)的天線技術(shù)展開了廣泛的研究,如波導(dǎo)模式轉(zhuǎn)換器加輻射喇叭、Vlasov天線、COBRA天線等[1-4]。其中,陣列天線由于在高功率方面的優(yōu)勢得到了廣泛的研究。劉慶想等[5]首先提出了徑向線螺旋陣列天線的思想,并在此基礎(chǔ)上改進(jìn)了可拼接組合的方形子陣[6],從而使得陣列天線的增益得到顯著提高,之后,又優(yōu)化得到了矩形可拼接子陣[7],從而打破了子陣的形狀限制,使得陣列天線的陣面設(shè)計更加靈活。

基于徑向線的螺旋陣列天線饋電結(jié)構(gòu)采用的是同軸波導(dǎo)輸入結(jié)構(gòu),利用同軸-徑向線模式轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)同軸饋電到徑向線外形波的轉(zhuǎn)化,能夠通過多個子陣的拼接和功率分配網(wǎng)絡(luò)饋電實現(xiàn)高增益陣列天線,但由于存在輸入同軸波導(dǎo)、功率分配器和連接結(jié)構(gòu),其軸向尺寸受到一定程度的限制,從而影響了其緊湊性。為了探究緊湊型矩形螺旋陣列天線系統(tǒng),本文設(shè)計了L波段高功率矩形扁波導(dǎo)側(cè)饋式螺旋陣列天線饋電網(wǎng)絡(luò),實現(xiàn)了陣列天線的均勻饋電,從而使整個子陣具備較高增益。將兩個66單元的矩形子陣拼接即可得到具備更高增益的132單元陣列天線系統(tǒng)。傳統(tǒng)的方形子陣采用的是徑向線饋電,饋電位置位于子陣底部的中心,因此饋電系統(tǒng)內(nèi)部的微波分布相對均勻,但多個正方形子陣拼接會造成較大的插入損耗,對增益會產(chǎn)生較大影響;同時在子陣數(shù)目較多時,功率分配器會占用較大空間,不利于實現(xiàn)饋電系統(tǒng)的緊湊型。為實現(xiàn)緊湊型的高增益的陣列天線系統(tǒng),設(shè)計了一種側(cè)饋式矩形子陣,矩形子陣采用側(cè)面饋電的方式,功率分配器也放置在側(cè)面,因此使得整個陣列天線系統(tǒng)的軸向長度大大減小,具有實現(xiàn)緊湊性的優(yōu)勢,然而由于子陣單元數(shù)目較多,且扁波導(dǎo)內(nèi)微波傳輸不均勻,因此對探針耦合能力要求較高,單一探針結(jié)構(gòu)無法適用全部單元,在設(shè)計時根據(jù)單元位置采用了多種不同探針,最終實現(xiàn)了子陣的等幅饋電。

本文首先闡述了該陣列的工作原理,在此基礎(chǔ)上對耦合探針及饋電系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計,實現(xiàn)了L波段緊湊型陣列天線,最后通過數(shù)值模擬對陣列性能進(jìn)行了分析。

圖1 側(cè)饋式扁波導(dǎo)螺旋陣列天線三維示意圖Fig.1 Three dimensional diagram of the side-feed slab waveguide helical array antenna

圖2 饋電系統(tǒng)示意圖Fig.2 Graphs of the feed system

1 工作原理

圖1給出了132單元側(cè)饋式扁波導(dǎo)螺旋陣列天線的示意圖,完整的陣列天線包括兩個22×3的矩形子陣,每個子陣的窄邊方向封口外邊緣距離輻射單元的距離等于相鄰兩個輻射單元距離的一半,兩個子陣拼接后即可得到等間距陣列天線。其工作原理為:微波由同軸波導(dǎo)輸入,通過圖2(a)所示的同軸-圓波導(dǎo)-兩路矩形波導(dǎo)功分器實現(xiàn)兩個子陣的功率分配,子陣饋電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2(b)所示;子陣入口位于陣面長邊一端的下方,與功分器的出口直接相連,微波由子陣入口經(jīng)過一個90度的轉(zhuǎn)彎結(jié)構(gòu)實現(xiàn)在扁波導(dǎo)內(nèi)的單向傳播,根據(jù)設(shè)計尺寸的要求,扁波導(dǎo)的高度在距離入口270mm處由60 mm降為30 mm。子陣中的螺旋天線單元通過耦合探針從波導(dǎo)內(nèi)提取能量,從而實現(xiàn)空間的圓極化輻射,通過同相疊加實現(xiàn)微波的軸向輻射。

2 模型設(shè)計

完整的扁波導(dǎo)螺旋陣列天線設(shè)計包括單元的設(shè)計、耦合探針的設(shè)計、一分二功分器的設(shè)計以及最終子陣饋電系統(tǒng)的設(shè)計。參考文獻(xiàn)[8]給出了L波段螺旋天線單元的相關(guān)參數(shù),參考文獻(xiàn)[9]中給出了功分器的設(shè)計理論,本文對這兩部分內(nèi)容不再詳細(xì)說明,重點介紹耦合探針以及饋電系統(tǒng)的設(shè)計。本文設(shè)計模型工作的中心頻率為1.575GHz。

2.1 耦合探針

螺旋陣列天線饋電系統(tǒng)的設(shè)計要求各單元盡可能達(dá)到等幅輸出,由于本次設(shè)計的子陣單元數(shù)目較多,且波導(dǎo)側(cè)饋的形式使得微波能量在傳輸過程中單向衰減,造成子陣長邊兩端的微波能量分布差異很大,因此在子陣入口附近必須選擇耦合能力較弱的探針,而在子陣末端則必須選擇耦合能力強(qiáng)的探針。較早的C波段陣列模型介紹了電探針、磁探針等基本的探針結(jié)構(gòu)[10],在之后的改進(jìn)探索過程中又提出了加盤型探針、圓柱底座探針等改進(jìn)的探針結(jié)構(gòu)[11],綜合分析本文模型中單元位置的特點及不同類型探針的優(yōu)勢,選擇將圓柱底座探針應(yīng)用于子陣末端,將加盤型探針應(yīng)用于子陣入口附近,對磁探針進(jìn)行一定的改進(jìn)并應(yīng)用于子陣中間的大部分單元。

參考文獻(xiàn)[7]和[11]給出了圓柱底座探針與加盤型探針的結(jié)構(gòu)及優(yōu)勢,本文重點闡述對磁探針的改進(jìn)。較早的磁探針模型如圖3(a)所示,通過伸入波導(dǎo)內(nèi)部的同軸內(nèi)導(dǎo)體與 “L”型導(dǎo)體形成的閉合環(huán)結(jié)構(gòu)實現(xiàn)探針的磁耦合。由于本文設(shè)計的模型饋電波導(dǎo)高度較低,微波能量相對密集,上述磁探針無法完全滿足降耦合需求和功率容量的指標(biāo),同時為了便于連接電機(jī)驅(qū)動單元旋轉(zhuǎn),改進(jìn)的磁探針將同軸內(nèi)導(dǎo)體直接延伸至扁波導(dǎo)的下底板,并在其兩側(cè)均設(shè)計了 “L”型導(dǎo)體結(jié)構(gòu),“L”型導(dǎo)體通過連接在內(nèi)導(dǎo)體上的軸承固定。該探針不僅具有傳統(tǒng)磁探針的特點,還通過增加磁耦合環(huán)面積的方式使得磁耦合量加倍,探針的降耦合能力得到明顯增強(qiáng),在探針后方距離d處,還配置了一立柱以減小探針反射,該探針結(jié)構(gòu)如圖3(b)所示,將其稱之為雙 “L”型探針。

在本次設(shè)計的結(jié)構(gòu)中,由于靠近扁波導(dǎo)入口的三列單元所在位置場強(qiáng)集中,達(dá)到均勻饋電時雙“L”型探針的側(cè)臂長度很長,且由于位置靠近入口,將造成很大的反射,因此這部分單元選擇使用加盤型探針,但在相同條件下,加盤型探針較雙“L”型探針更易造成場強(qiáng)集中從而限制功率容量,因此加盤型探針并不適用于本陣列中的所有單元。

2.2 側(cè)饋式扁波導(dǎo)饋電系統(tǒng)

緊湊型扁波導(dǎo)陣列天線的設(shè)計中,最為重要的就是子陣饋電系統(tǒng)的設(shè)計,側(cè)饋的形式?jīng)Q定了子陣饋電系統(tǒng)中的能量具有左右對稱的特點,在設(shè)計探針結(jié)構(gòu)時可以充分利用對稱性,從而減少一列邊緣探針的設(shè)計任務(wù)。

圖3 兩種探針結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Structure of two kinds of probes

陣列天線的單元間距對陣列的柵瓣及單元間的互耦均會產(chǎn)生影響:較小的間距會使得互耦較大,而較大的間距不利于抑制柵瓣,綜合考慮,取輻射單元間距為100 mm,子陣封口尺寸為280 mm×2220 mm,同軸內(nèi)外導(dǎo)體半徑為5 mm和15.75 mm,根據(jù)單元所在位置微波能量分布的不同,磁探針的軸承高度及單個探針中 “L”型結(jié)構(gòu)的數(shù)目有所不同,加盤型探針中加盤尺寸及圓柱底座探針中的尺寸也有所區(qū)別。子陣饋電系統(tǒng)的俯視圖及單元標(biāo)號如圖4所示,將前述的三種探針應(yīng)用于該饋電系統(tǒng)中,考慮到饋電系統(tǒng)內(nèi)部傳輸?shù)闹饕Ｊ綖榫匦尾▽?dǎo)TE10模,電場具有軸對稱性,因此中間一列的單元處微波能量較為集中,而兩側(cè)單元相對較弱。另外,根據(jù)波導(dǎo)自身傳輸特點,單元位置越靠近饋電入口,能量越集中。依照單元位置選定需要采用的探針形式,最終確定降耦合需求較大的端口3,6,9,11～37,39,42,45,48,51,54,57使用雙 “L”型探針;2,4,5,7,8,10號端口使用加盤型探針;38,40,41,43,44,46,47,49,50,52,53,55,56,58號端口使用 “L”型探針;59,61,62,64,65,67號端口所在使用圓柱底座探針。優(yōu)化后同軸內(nèi)導(dǎo)體與其匹配的小立柱間的距離d=72 mm。

圖4 子陣饋電系統(tǒng)俯視圖Fig.4 The top view of subarray feed system

該子陣饋電系統(tǒng)的總輸入口反射系數(shù)及各端口的耦合曲線如圖5所示,由圖5可以看出,該饋電系統(tǒng)在中心頻率1.575 GHz處的反射系數(shù)為0.083,且在1.53～1.62 GHz的帶寬范圍內(nèi),反射系數(shù)小于0.2;中心頻率的耦合不平衡度為1.33 dB,基本可以實現(xiàn)66個單元的等幅饋電,耦合曲線波動較小,但由于饋電系統(tǒng)內(nèi)部探針數(shù)目較多,造成反射曲線的頻帶較窄。

圖5 子陣饋電系統(tǒng)相關(guān)曲線Fig.5 Reflection curves and coupling curves of subarray feed system

3 陣列性能

將同軸-圓波導(dǎo)-兩路矩形波導(dǎo)功分器與前文設(shè)計的子陣饋電系統(tǒng)模型連接,并在子陣的每個輸出同軸上連接螺旋天線單元,就形成了132單元螺旋陣列天線。

采用CST微波工作室研究了該陣列天線的性能。圖6和圖7分別給出了陣列反射系數(shù)隨頻率的變化和中心頻點處的方向圖(以?=90°為例),圖8給出了陣列在中心頻率下的極化圖。

從模擬結(jié)果可以看出:在中心頻點1.575 GHz處, 陣列的反射系數(shù)為0.1, 在1.56～1.62 GHz的頻帶范圍內(nèi),天線反射系數(shù)基本小于0.2,在中心頻率下子陣的增益為24.7 dB,軸比為0.88 dB,能夠較好的實現(xiàn)微波的圓極化輻射。

圖6 中心頻率下陣列天線反射系數(shù)Fig.6 Reflection coefficiesst of array antenna in center frequency

圖7 中心頻率下陣列天線輻射方向圖Fig.7 Directional diagram of array antenna in center frequency

圖8 中心頻率下陣列天線極化圖Fig.8 Polarization diagram of array antenna in center frequency

由Kilpatrick準(zhǔn)則[12]可得,真空狀態(tài)下微波擊穿場強(qiáng)為:

式中:f為頻率,單位為MHz;E為該頻率下的擊穿場強(qiáng),單位為MV/m。計算可得,1.575 GHz下的擊穿場強(qiáng)為35 MV/m。

微波系統(tǒng)功率容量定義為:

圖9為饋電系統(tǒng)典型位置及典型螺旋天線單元的場強(qiáng)分布示意圖,由圖可知,饋電系統(tǒng)的場強(qiáng)最大值為487 V/m,位于雙 “L”型探針上,螺旋天線單元上的最大場強(qiáng)為419 V/m,將487 V/m帶入式,得到天線系統(tǒng)功率容量達(dá)5.17 GW,適應(yīng)高功率應(yīng)用需求。由于饋電系統(tǒng)和天線單元上的場強(qiáng)差別不大,因此認(rèn)為此時陣列天線系統(tǒng)的功率容量基本達(dá)到最高,優(yōu)化空間不大。

圖9 陣列各部分典型位置場強(qiáng)分布示意圖Fig.9 Electric field strengths of some typical locations

4 結(jié)論

本文對磁探針進(jìn)行了適當(dāng)改進(jìn),使其具備了較大的耦合量調(diào)節(jié)范圍,滿足了場強(qiáng)集中處單元的降耦合需求,并綜合使用了多種不同的探針結(jié)構(gòu),克服了緊湊型端饋式扁波導(dǎo)陣列天線饋電系統(tǒng)中出現(xiàn)的微波能量分布不均勻的問題,實現(xiàn)了各單元的等幅饋電,并以此為基礎(chǔ)完成了132單元矩形陣列天線的整體設(shè)計。模擬得到了陣列的主要性能指標(biāo),結(jié)果表明該陣列在中心頻率處可以實現(xiàn)較高的增益,同時較好地實現(xiàn)了圓極化輻射,且整個陣列天線系統(tǒng)具備較高的功率容量,驗證了在一定條件下使用端饋的方式實現(xiàn)矩形高功率螺旋陣列天線緊湊化的可行性,但由于本文陣列天線內(nèi)部探針結(jié)構(gòu)相對比較復(fù)雜,因此若直接將該設(shè)計思路拓展到更高頻段的模型時可能會出現(xiàn)加工困難及功率容量受限的問題,這些問題仍需要下一步深入探究。