S波段宽带圆极化反射面天线口径合成阵列设计

S波段宽带圆极化反射面天线口径合成阵列设计

徐刚施美友屈劲胡进光

(中国工程物理研究院应用电子学研究所 高功率微波技术重点实验室,四川 绵阳 621900)

摘要为了实现固态源的宽频带空间功率合成,提出采用背射式的S波段宽带圆极化螺旋天线作为口径合成的反射面单元的馈源,避免馈线和副反射面对口面的遮挡．在同轴末端设计了折叠式扼流槽,抑制沿馈线的表面电流对馈源方向图的扰动,通过对锥形螺旋的几何参数进行优化,获得了38%的百分比带宽．对反射面单元和7元口径阵进行了仿真设计,仿真结果表明:口径阵工作带宽为2.3～3.4 GHz,带宽范围内增益大于31.5 dB,轴比低于3 dB．

关键词口径阵;圆极化;背射螺旋天线;空间功率合成

中图分类号TN823`+.27

文献标志码A

文章编号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

作者简介

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

全固态微波源具有体积小、重量轻、便于维护、可靠性高、效率较高等优势,逐渐在很多应用领域取代了电真空管[1-2]．利用大口径反射面天线辐射固态源的大功率微波时,将面临大口径反射面天线加工难度大、成本高,多个模块微波源的路合成损耗较高等难题．而由多个较小口径的反射面天线组成口径阵列,实现多模块固态微波源的口径合成,是实现固态源大功率微波源高增益辐射的有效途径之一．

资助项目: 高功率微波技术重点实验室基金(2013HPM07)

联系人： 徐 刚 E-mail：xugangthu@163.com

口径合成技术在射电望远镜、深空探测和通信中有很多成功应用[3-7],通过较小口径的反射面天线组阵,通过信号处理实现口径合成,提高射电望远镜的增益和空间分辨率．国内也开始探索采用口径阵实现较低功率微波源的功率合成,陈鑫和谢泽明等对X波段的线极化口径阵进行了设计与实验研究[8-9],江志浩等学者则侧重于分析相位误差对口径阵功率合成效率的分析[10-11]．本文提出了基于宽带圆极化反射面天线的7元口径阵,用于S波段宽带固态微波源的空间功率合成.论文首先给出了7元口径阵的组成结构;提出了采用一种新型背射式宽带圆极化螺旋馈源,以减小馈线和副面遮挡,并对馈源进行了优化设计;对反射面单元和口径阵的合成性能进行了仿真分析．

1口径阵的组成

多台口径阵进行空间功率合成时,合成后的等效辐射功率(Effective Isotropic Radiated Power,EIRP)与口径辐射单元的数目呈平方关系快速增长,理论的等效辐射功率PEIRP表示为

PEIRP=N2GePe.

(1)

式中: N为用于组阵的口径辐射单元数目; Ge为口径辐射单元的增益; Pe为口径辐射单元的发射机功率．

S波段宽带圆极化反射面天线口径阵的组成如图1所示,7个阵元呈等边三角形紧密排列,由公式(1)可知,本文口径阵的等效辐射功率将比辐射单元提高16.9 dB．每个抛物反射面天线口面直径D为800 mm,焦径比f/D为0.35,宽带圆极化馈源位于抛物反射面的焦点处,口径阵的主波束方向为抛物面旋转轴线方向．

图1　口径阵天线阵型

抛物反射面天线的工作原理是将馈源辐射出的电磁波作等光程相位校正,其工作带宽和极化特性基本取决于馈源的带宽和极化特性,因此,宽带圆极化馈源是实现宽带低副瓣圆极化天线的关键．口径阵的期望工作频率范围是2.3～3.4 GHz,百分比带宽接近40%,若采用常规的单脉冲圆极化振子或圆极化器+喇叭等类型的馈源,不仅在尺寸上难以满足小口径反射面天线的紧凑化需求,也难以实现近40%的工作带宽．因此必须设计紧凑型的宽带圆极化馈源,在满足系统工作带宽要求下,降低对口面的遮挡．

2宽带圆极化馈源优化设计

采用后馈方式可以避免馈线对口面的遮挡,但常规的后馈式反射面天线都有副反射面,对于本文中小口径的反射面,副面造成的遮挡对增益损失较大．为了实现后馈并避免副反射面对口面造成的遮挡,采用背射式螺旋天线作为馈源,其特点是:馈源辐射方向为背面,这样馈线就可从抛物反射面中心穿出,不会对口径造成遮挡．

螺旋天线产生轴向辐射的条件为每圈导体上的电流同相叠加,即相邻两圈的相位差为2π的整数倍,对于其中一圈来说,就是电流沿螺旋线爬行一周的相移与沿轴向传播的表面波传播一个螺距产生的相移之间的差为2π,表示为

(2)

式中: c为光速; λ为波长; L为一圈螺线的展开长度; v为电流沿螺旋爬行的速度; S为螺距．螺线天线的轴比rax与螺旋几何尺寸之间的关系表示为

(3)

式中,α为螺旋线的螺旋升角．当反射板半径小于或等于螺旋半径时,辐射波束即为背向．

从式(2)和式(3)可以看到,螺旋线的几何尺寸和波长相关,为了获得较宽的工作带宽,采用结构如图2所示的倒锥形渐变螺旋结构,以辐射频带内不同波长的微波,且结构简单紧凑．

初步仿真发现,由于馈线在背射式天线的主波束方向上,同轴开路端口激励起的电流会沿馈线外筒壁爬行,使方向图出现歪斜和畸变,因此在同轴馈口的外导体处增加了λ/4的扼流槽,用于抑制沿馈线外导体的爬行电流,降低对方向图的扰动．

图2　S波段背射式螺旋天线馈源结构

如图2中,螺旋馈源外轮廓为倒锥形,底部螺旋半径为R1、顶部螺旋半径为R2,底部螺距为H1、顶部螺距为H2,导体直径为d,同轴馈线的内外导体之间用聚四氟乙烯(εr=2.1)填充,在适当位置插入了一段介电常数更高的尼龙材料(εr=3.4),通过调节尼龙填充段的位置和长度,可实现宽频带的阻抗匹配．

采用CST仿真软件对馈源的螺旋绕线圈数N、螺旋半径R1和R2、螺距H1和H2、扼流槽深度D、尼龙阻抗匹配段长度Ln进行全局优化,优化得到的端口反射系数曲线如图3所示,在期望的工作频带2.3～3.4 GHz范围内,其反射系数S11均低于14 dB．

图3　馈源的端口反射系数曲线

NR1R2H1H2DLn8.59387.582819.9

图4所示为馈源在工作频带内4个典型频点的方向图,可以看到,馈源的方向图均为背射,增益也保持基本一致,在8.1～8.8 dB范围内变动,且轴比在3 dB以内,满足S波段宽带圆极化反射面天线对馈源的要求．

(a) f=2.3 GHz　　　　　(b)f=2.6 GHz

(c) f=3.0 GHz　　　　　(d)f=3.4 GHz 图4　馈源在4个典型频点的方向图

3口径阵单元辐射性能

反射面单元直径为φ800 mm的抛物反射面,焦径比f/D为0.35,将馈源的等效相位中心放置于抛物反射面的焦点,由于馈源不同频点的焦点位于不同位置,因此通过仿真分析了改变馈源放置位置整个带宽范围内反射面天线的增益情况,综合选取最佳的馈源安装位置．

优化得到的反射面天线结构如图5所示,馈源中心离反射面底部距离F为285 mm,同轴馈线从反射面中心穿出,给位于焦点的螺旋天线馈电．

图5　反射面阵元天线仿真模型

(a) 增益

(b) 轴比 图6　反射面天线在Z轴方向上增益和轴比 随频率的变化曲线

Z轴方向上的增益和轴比随频率的变化曲线如图6所示,在工作频带2.3～3.4 GHz内,反射面单元的增益均在23 dB以上,对应的轴比也低于3 dB．当利用大量阵元组成口径阵时,可通过对不同阵元馈源螺旋的初始角度进行合理布置,进一步改善口径阵在主波束指向上的轴比特性．

4口径阵合成性能

按图1中所示的阵形组成口径阵,各阵形同相激励,且螺旋馈源初始方向保持一致,通过仿真分析口径阵的辐射特性．图7为口径阵在中心频率2.85 GHz的表面电流分布,7个阵元端口的有源反射系数相比于图3中的馈源反射系数,带宽无明显变化,在2.3～3.4 GHz范围内低于-13 dB．

图7　口径阵反射面上的面电流分布(f=2.85 GHz)

图8为口径阵不同频率的增益和轴比变化曲线与反射面单元的对比,口径阵相比单元增益理论上可提高8.45 dB.从图8(a)结果看,监测的5个频点,口径阵的增益最低提高了8.35 dB,对应的口径合成效率在95%以上．由图8(b)可见,口径阵的轴比随频率的变化趋势与反射面单元一致,带宽内的轴比低于3 dB．

(a) 增益

(b) 轴比 图8　不同频率下口径阵与阵元的 增益和轴比对比

在基于口径阵的空间功率合成过程中,反射面单元加工误差带来的后果主要是辐射相位的不一致性,从而对合成效率造成影响．加工不确定性导致的相位误差往往是正态随机分布的,可采用式(4)计算口径阵的期望功率合成效率[12]为

(4)

式中:N为用于功率合成的阵元数;τ为随机相位误差正态分布函数下降1/e对应的角度,rad．因此,对于本文中的7元口径阵列,只要相位误差的分布参数τ小于30°,期望合成效率的下降将低于0.5 dB．

5结论

设计了用于固态源空间功率合成的宽带圆极化口径阵．采用一种新型的后馈式螺旋天线作为馈源,降低了馈线和副面对小口径反射面天线口面的遮挡,圆极化螺旋馈源设计为倒锥结构以拓展工作带宽．通过仿真方法优化设计了螺旋的几何参数,实现了38.5%的百分比带宽．对7个反射面单元组成的口径阵进行了仿真分析,仿真结果表明,口径阵在工作带宽2.3～3.4 GHz范围内的反射系数低于-13 dB,增益高于31.5 dB,主轴方向上的轴比均低于3 dB,可在宽频带范围内实现固态大功率微波源的圆极化空间功率合成．

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徐刚(1984-),男,云南人,博士，中国工程物理研究院应用电子学研究所高功率微波技术重点实验室副研究员．发表学术论文二十余篇．主要研究方向为高功率微波天线、大功率毫米波天线和阵列综合理论和技术等．

施美友(1985-),男,浙江人,硕士，中国工程物理研究院应用电子学研究所高功率微波技术重点实验室助理研究员,主要研究方向为高功率微波天线、大功率毫米波高效传输和测试技术等．

屈劲(1974-),男,四川人,硕士，中国工程物理研究院应用电子学研究所高功率微波技术重点实验室副研究员,主要研究方向为大功率微波辐射系统、大功率毫米波高效传输技术和微波系统总体集成技术等．

胡进光(1972-),男,四川人,学士，中国工程物理研究院应用电子学研究所高功率微波技术重点实验室研究员,硕士生导师,中国电子学会电子对抗分会航天电子对抗专委会委员，主要研究方向为高功率微波源、系统总体集成技术等．

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