高增益空间功率合成天线的研究

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                1  引言

                         在通信对抗领域，要获得很大的微波干扰功率有两种方法：一是采用固态功率合成技术，但研制超大功率受到高压电源和高功率器件等因素的限制；二是利用空间功率合成技术大幅度提高干扰功率，这能突破功率器件的制约，得到更强大的干扰功率。利用多个天线单元发射频率相同、相位符合特定关系的电磁波，使之在空间传播过程中相互叠加合成，从而在一定方向上形成电磁波束的技术称为空间功率合成技术。空间功率合成的各路功放并行工作，各路信号通过低耗波导传播到空中进行合成，具有较高的合成效率，因而得到了广泛的应用。
                          
                         本文主要研究在不增加喇叭路数（即不增加大功率微波功放的数量，这是控制系统成本常常需要考虑的问题）情况下，如何进一步提高喇叭线阵偏馈抛物柱面型空间功率合成天线的增益。在保持喇叭路数不变的情况下，用角锥喇叭代替扇形喇叭作为馈源单元，线阵的长度增大，抛物柱面的口径同时增大，天线增益提高，但过大的阵元间距会使天线方向性图出现栅瓣[4]，导致非干扰方向出现功率泄漏。本文提出用功分喇叭作为线阵单元，使抛物柱面天线的口面场分布更均匀，提高了抛物柱面天线的口径利用效率，克服角锥喇叭线阵馈源产生栅瓣的缺点，进一步提高了空间功率合成天线的增益。
                          
                        2  天线结构描述

                         抛物柱面空间功率合成天线包括多个天线单元组成的线性馈源阵列和抛物柱面反射板。空间功率合成的原理示意图和偏馈抛物柱面天线结构如图1所示。微波信号经过分路器分成若干路依次接上移相器和功放通过波导对喇叭单元进行馈电。为了实现水平极化，16路喇叭E面水平放置以D为阵元中心间距组成阵列放在抛物柱面的焦线位置作为馈源，微波信号由喇叭发射经过抛物柱面反射后在空中进行高功率合成。抛物柱面天线的俯视图和侧视图如图2所示，天线采用偏馈的形式，为了避免了抛物柱面反射波对馈源的影响，截去抛物柱面张角小于Y0=5o的部分。抛物柱面夹角为Y=55o，最大张角为Y0+Y=60o，喇叭的照射角度为Ym=32.5o，Ym为抛物柱面夹角的平分线指向。抛物柱面的水平投影宽度为T。抛物柱面的高度为H，为了减少抛物柱面的后向辐射，H比喇叭阵列的垂直面总高度两边分别多留出H0＝0.625l的高度，抛物柱面的有效口径尺寸为T*H。抛物面的焦距为F=12.5l。
                          
                         抛物柱面天线的水平面尖锐波束通过抛物面反射形式形成，垂直面尖锐波束通过喇叭组阵的方式形成。水平面和垂直面的波束宽度可独立调整，通过移相器对馈电相位的调整，合成波束可在垂直面进行电扫描。不失一般性，本文所有频率对工作的中心频率f0归一化，所有尺寸为电尺寸，其中 为f0对应空气中的波长。
                          
                         本文比较了不同馈源的三副空间功率合成天线，天线一用E面扇形喇叭线阵作为馈源，天线二用角锥喇叭线阵作为馈源，天线三用功分喇叭线阵作为馈源，抛物柱面的焦距和张角保持不变，抛物面高度H随着喇叭的H面口径作相应的调整。
                          
                         三副天线对应的馈源阵列示意图如图3所示。图3（a）为馈源一的H面示意图，图3（b）为其E面示意图，矩形波导口径尺寸a=0.794，b=0.397，波导工作于TE10模，喇叭E面口面场为均匀分布，H面口面场为余弦分布。D1为馈源一的阵元中心间距，馈源一对应的抛物柱面天线高度H=16*D1+2*H0。C=1.979为喇叭的长度，A1=a为喇叭的H面口径尺寸，调整喇叭的E面口径尺寸B1，当抛物柱面天线的增益最高时确定B1取值。天线二对应的馈源二的示意图和尺寸如图3（c），（d）所示，馈源二是张开馈源一中E面扇形喇叭的H面口径形成角锥喇叭，喇叭H面口径为A2，喇叭的单元间距加大为D2，此时抛物柱面高度H=16*D2+2*H0。
                          
                         调整喇叭的E面口径B2，当抛物柱面天线的增益最高时确定B2取值。天线三对应的馈源三的示意图和尺寸如图3（e），（f）所示，馈源三是延长馈源二中的角锥喇叭的张口，并在口面中间加水平金属劈来改变喇叭口面场分布，形成功分喇叭，该喇叭的H面口径A3与馈源二中A2相等，阵元间距D3也与D2相等。喇叭的E面口径B3确定也以抛物柱面天线增益最高为标准。三副天线的主要参数对比如表I所示。
                          
       

               

       

                图1  偏馈抛物柱面天线结构示意图

       

                 

                 
                 
                         从增益来看，由于天线二张开了天线一的E面扇形喇叭的H面口径，天线二的H面口径较大，故天线二的增益比天线一的增益高出2dB，这证明了在相同的喇叭路数情况下，用角锥喇叭线阵作为馈源比扇形喇叭线阵作为馈源的抛物柱面天线具有更高的增益。从口面利用效率来看，由于天线二张开了扇形喇叭的H面口径，口面场变得更加不均匀，天线二的口面利用效率下降到68.9%；虽然天线三张开了扇形喇叭的H面口径，但由于金属劈对口面场的分隔作用，口面场变得更加均匀，天线的口面利用效率提升到77%，所以在相同的口径尺寸情况下，天线三比天线二的增益高0.5dB。从波束覆盖范围来看，由于天线增益的提高，天线三和天线二的半功率角都比天线一的更窄。从方向性图来看，天线二的馈源阵元间距大于，H面方向性图在43度方向出现栅瓣，引起空间功率合成天线在非干扰方向出现大功率泄漏，天线三采用功分喇叭线阵作为馈源，克服了角锥喇叭线阵产生栅瓣的缺点，空间功率合成无大功率泄漏。
       

               

       

                图4  喇叭单元的驻波比

       

               

       

                图5  偏馈抛物柱面天线的E面方向性图

       

               

       

                图6  偏馈抛物柱面天线的H面方向性图

                          
       

                表II  偏馈抛物柱面天线的主要性能对比

       

	天线一	天线二	天线三
馈源单元	扇形喇叭	角锥喇叭	功分喇叭
口面尺寸T*H	204 2	3372	3372
增益（dB）	32.60	34.65	35.13
E面半功率角（度）	4	3.8	3.8
H面半功率角（度）	3.6	2.1	2.1
口径利用效率	71.0％	68.9％	77.0％

                         

                        4  结论

                         本文研究了分别用E面扇形喇叭线阵，角锥喇叭线阵，功分喇叭线阵作为馈源的偏馈抛物柱面空间功率合成天线。在喇叭路数相同的情况下，角锥喇叭线阵作馈源的抛物柱面天线增益比E面扇形喇叭线阵作馈源的增益更高，但口径利用效率下降，波束覆盖范围变窄，当角锥喇叭线阵的阵元间距过大时天线的H面方向性图出现栅瓣。与角锥喇叭线阵作馈源的抛物柱面天线相比，功分喇叭线阵作馈源的天线口面场分布更均匀，能克方向性图出现栅瓣的缺点，口径利用效率提高。在不增加喇叭路数（不增加大功率功放成本）的情况下，实现更高的空间功率合成天线增益的较好方法是采用功分喇叭线阵作馈源。