带有扼流槽结构的共形波导缝隙阵列天线研究

廖 勇,谢 平,于爱民,马弘舸

(中国工程物理研究院应用电子学研究所,四川绵阳621900)

随着高功率微波技术的发展,微波天线与载体共形成为重要的发展趋势。其中,与圆柱共形的天线最为常见。KOSLOVER[1]设计了一款与圆柱表面共形的波导缝隙阵列天线,口径效率达到55 %。共形天线的辐射特性受到共形曲面的显著影响,与平面阵列天线相比,一般共形天线口径效率明显较低[2]。波导缝隙阵列天线增益会受到阵列波导间互耦的影响而降低,通过增大波导间距可降低互耦影响[1,3],但波导间距离增大不利于天线小型化和紧凑化设计,当波导间距超过一个波长时会引入栅瓣[2]。通过波导间加载人工超材料也可降低互耦影响[4],但会明显增加阵列天线的厚度。文献[5]提出在波导间采用扼流槽结构抑制波导间互耦并提升阵列天线辐射特性,与传统四分之一波长深度扼流槽结构不同,优化后的扼流槽深度明显小于四分之一波长,文献[5]分析认为优化后的扼流槽参与了微波辐射,起到了调制阵列表面波的作用。

本文设计了与圆柱共形的L波段宽边纵缝波导缝隙阵列天线,天线波导间设计了扼流槽结构,抑制了波导间互耦,提高了天线增益。

1 共形波导缝隙阵列天线结构

图1为L波段与圆柱面共形的波导缝隙阵列天线示意图。

图1 L波段与圆柱面共形的波导缝隙阵列天线

由图1可见：该天线由6根基于扇形波导的共形波导宽边纵缝驻波阵组成,每根辐射扇形波导有9个辐射缝隙;对扇形波导从左到右分别编号为1#,2#,3#,4#,5#,6#,其中,1#,2#,5#,6#为共形阵列天线两侧边上波导,3#,4#为共形阵列天线中间波导。天线通过带介质天线窗的波导缝隙阵实现微波辐射。共形波导缝隙阵列天线口径的长为1 258 mm,宽为727 mm,共形半径为380 mm。共形阵列天线的工作频率为1.575 GHz。

2 扼流槽对共形波导缝隙阵列天线的影响

扇形阵列波导两侧的扼流槽结构,可改善天线辐射性能[3-12]。图2为带扼流槽结构的共形波导缝隙阵到天线截面示意图。为减小扼流槽结构尺寸,在扼流槽中填充了介电常数为9.21的陶瓷块。

图2 带扼流槽结构的共形波导缝隙阵列天线截面示意图

共形阵列天线两侧边上波导互耦系数S12和中间波导互耦系数S34随频率f的变化关系如图3所示。

(a)S12vs. f

(b)S34vs. f

由图3可见：工作频率为1.575 GHz时,增加扼流槽结构后,共形阵列边上波导间互耦系数S12由-17.2 dB减小到-20.8 dB,减小了3.6 dB,共形阵列中间波导间互耦系数S34由-24.9 dB减小到-29.3 dB,减小了4.4 dB,表明工作频率为1.575 GHz时,扼流槽结构对边上和中间波导互耦系数均有大于3 dB的改善作用。由图3还可见,无扼流处结构时,在工作频率1.575 GHz处,共形阵列天线两侧边上波导间互耦系数比中间波导强7.7 dB。

共形波导阵列天线增益随扼流槽结构深度及宽度的变化关系如图4所示。由图4可见,当扼流槽宽度为20 mm,深度为14 mm时(0.22倍介质波长),阵列天线增益达到峰值23.3 dB;当扼流槽深度为14 mm,扼流槽宽度大于12.5 mm时,阵列天线增益大于23.2 dB,且增益曲线趋于平缓。

(a)Gain vs. depth of the choke groove (width=20 mm)

(b)Gain vs. width of the choke groove(depth=14 mm)

共形阵列天线两侧边上波导间互耦系数S12及中间波导互耦系数S34随扼流槽深度的变化关系如图5所示。由图5可见：当深度为14 mm时,共形阵列边上相邻波导单元间互耦系数达最小值-21 dB,此扼流槽深度也对应天线增益最大点;当深度为15 mm时,共形阵列中间相邻波导间互耦系数达到最小值-32.5 dB。由于共形阵列边上相邻波导间互耦系数比中间相邻波导大一些,因此扼流槽深度取14 mm,此深度并不是传统的0.25倍介质波长扼流槽的深度。

(a)S12

(b)S34

馈入功率为6 W时,有扼流槽结构和无扼流槽结构的共形波导缝隙阵列天线横截面电场强度分布如图6所示。

(a)With the choke groove

(b)Without the choke groove

由图6可见,共形阵列天线的扼流槽结构与波导缝隙一样具有辐射微波的作用,这是具有扼流槽结构的共形波导缝隙阵列天线增益提高的主要原因。

阵列天线的功率容量主要由介质窗表面电场强度决定[9]。取介质窗表面空气击穿电场强度EAB为30 kV·cm-1[9],图6所示介质窗表面大气侧最大电场强度Eant约为214 V·m-1,则阵列功率容量Pr可表示为

(1)

共形波导缝隙阵列天线横截面在阵面缝隙附近的电场强度分布如图7所示。由图7可见：共形阵列天线缝隙附近电场在阵列两侧波导的波动较为强烈;具有扼流槽结构的共形阵列两侧波导的电场强度明显低于无扼流槽结构的共形阵列天线,最大相差约20%。这进一步说明了扼流槽结构能有效抑制共形阵列天线两侧波导间的互耦影响。

图7 共形波导缝隙阵列天线横截面在阵面缝隙附近的电场分布

图8为优化后的共形波导缝隙阵列天线H面和E面方向图。由图8可见：无扼流槽结构的天线最大增益为21.9 dB,带扼流槽结构设计的天线最大增益为23.3 dB,提高了1.4 dB;共形波导缝隙阵列天线口径辐射效率由48.9 %提高到67.5 %,提升了18.6 %;共形波导缝隙阵列天线有扼流槽结构时,H面辐射主瓣3 dB宽度为 7.0°,E面为12.6°,无扼流槽结构时,H面辐射主瓣3 dB宽度为7.0°,E面为14.0°,表明,扼流槽结构对共形阵列天线E面方向图主瓣有一定的压缩作用,提高了天线辐射的方向性(提高0.46 dB)。此外,由图8(b)还可见,与无扼流槽结构天线相比,带扼流槽结构的共形阵列天线E面方向图第1个零点电平提高了约11 dB,表明扼流槽结构增强了阵列两侧波导间辐射。除展宽共形阵列天线的有效阵面宽度外,扼流槽结构主要通过增加辐射单元和抑制表面波传播来提高辐射效率,最终达到提高天线增益的目的。

(a)H-plane

(b)E-plane

3 共形波导缝隙阵列天线仿真结果

完成仿真优化后的共形波导缝隙阵列天线有源反射系数随频率的变化关系如图9所示。

图9 共形波导缝隙阵列天线有源反射系数

由图9可见：频率为1.55～1.60 GHz时共形波导缝隙阵有源反射系数小于-10 dB。在工作频率为1.575 GHz时,共形波导缝隙阵列天线有源反射系数小于-24 dB。图10为共形波导缝隙阵列天线仿真3D方向图。由图10可见,天线最大增益为23.3 dB。天线口径辐射效率约为67.5%。

图10 共形波导缝隙阵列天线仿真3D方向图

4 共形波导缝隙阵列天线实验结果

图11为加工完成的带有功分网络的共形波导缝隙阵列天线实物图。

图11 共形波导缝隙阵列天线实物图

在微波暗室采用近场测试系统对共形波导缝隙阵列天线辐射特性进行测试,工作频率为1.575 GHz时,共形波导缝隙阵列天线H面和E面实测规一化方向图如图12所示。

(a)H-plane

(b)E-plane

由图12可见：工作频率为1.575 GHz时,H面和E面方向图的3 dB主瓣宽度分别为12.28°和6.6°。共形阵列天线的增益(含功分网络插损1.1 dB)达22.1 dB。与仿真结果相比,实测天线方向图3 dB主瓣宽度要窄一些,分析原因可能是天线加工偏差造成的。

图13为共形阵列天线进行高功率微波实验时的辐射波形。由图13可见,馈入共形天线的高功率微波功率为1.1 GW,实测微波中心频率为1.575 GHz,辐射波形脉冲半高宽为57 ns。

图13 共形波导缝隙阵列天线进行高功率微波实验时的辐射波形

表1为共形波导缝隙阵列天线的性能。其中,尺寸指共形阵列天线的长度、共形半径和口径宽度。由表1可知,与文献[1]相比,本文设计的共形波导阵列天线在共形半径及整体尺寸较小的情况下,口径效率提高了11%,原因是扼流槽结构抑制了阵列表面波,参与了微波辐射。

表1 共形波导缝隙阵列天线的性能

5 结论

本文对共形波导缝隙阵列天线进行了研究,设计了一款与圆柱面共形的L波段宽边纵缝波导缝隙阵列天线,由6 根扇形波导组成。采用扼流槽结构有效抑制了共形波导缝隙阵列两侧波导间的互耦影响,同时扼流槽结构参与了微波辐射。测试结果表明,共形阵列天线的增益达22.1 dB(含功分网络损耗1.1 dB),天线口径辐射效率达66.0 %,功率容量达到1.1 GW。研究成果可为高功率微波共形阵列天线设计提供参考。