用于空間功率合成的線陣饋電焦散拋物曲面天線

謝澤明 王立新 阮水生

（華南理工大學 電子與信息學院，廣東 廣州 510640）

引 言

在電子對抗微波毫米波系統中，往往需要把大功率的定向電磁輻射波束輻射到作戰空間，用傳統的固態微波器件獲得的功率非常有限。運用空間功率合成的方法能獲得較大的微波干擾功率［1-2］，通過采用空間功率合成天線，多路功率信號直接通過天線單元輻射到自由空間去，通過控制各路輻射的相位，直接在自由空間合成定向輻射的大功率電磁波束，由于沒有了合成網絡的損耗，合成效率較高。郭晨等研究了采用超寬帶雙饋源拋物面天線實現功率合成的方法［3］，Yahya和鐘哲夫研究了采用圓形面陣饋電拋物面天線實現空間功率合成的方法［4-5］，利用陣列饋源進行空間功率合成和反射面形成高增益波束。張亦希和張恒偉在陣饋反射面天線頻域方向性相乘原理的基礎上，對窗口效應形成的原因和產生的影響進行了分析，并提出了兩種能夠減小窗口效應的窗口函數［6］。在采用多路大功率放大器進行功率合成的情況下，直線陣列比面陣容易安裝實現，因此，用線陣饋電的偏置拋物柱面天線是實現空間功率合成的一種很好的方法［7］。拋物柱面天線要求陣列長度與反射面長度相同，要進一步提高天線的增益，必須加大天線的口徑尺寸，需要更多的喇叭單元或者更大的陣列單元間距。更多的喇叭單元意味著更多的功放路數，這會大幅度提高系統的成本。如果不增加喇叭陣列的單元數，采用角錐喇叭同時加大喇叭陣列單元之間的間距，也可以加大天線的口徑，根據天線陣列理論，當陣元間距大于1個波長時，天線方向性圖就會出現柵瓣，使功率在不需要的方向產生強輻射，這一方面浪費能量，降低功率合成效率，另一方面會產生不必要的干擾。功分喇叭在加大天線陣列尺寸時能避免出現柵瓣，提高空間功率合成天線的增益［8］，但是，為了保證喇叭口面為TE10主模，對喇叭以及反射面的尺寸都有比較嚴格的要求，在工程實踐中不易控制。

針對直線陣列饋電，基于幾何光學提出了一種新型的焦散拋物曲面空間功率合成天線。這種天線是由xoz平面的一條拋物線沿著yoz平面的另一條拋物線正交掃描所形成的一個焦散反射面，饋源陣列采用8路E面喇叭線陣偏饋的形式，每個喇叭天線的相位根據惠更斯-菲涅爾原理進行設置，使每個喇叭天線的輻射經過反射面反射后在最大輻射方向上達到的同相功率合成，形成高功率、高增益波束。研究的數據和結果也可以為相關的微波毫米波雷達系統、遠距離通信系統和電子對抗系統的應用提供參考。

1.天線設計和分析

焦散拋物曲面空間功率合成天線的結構如圖1和圖2所示。

反射面是由xoz平面的拋物線1沿著yoz平面的拋物線2正交掃描所形成的焦散拋物曲面，其中兩條拋物線的焦點分別為F1和F2，焦距分別為f1和f2，Ψ =55°，Ψ0=5°，f2=12.5λ，H2=13.34λ.

饋源陣列是由8個E面扇形喇叭組成的直線陣列，喇叭的指向為Ψm=32.5°.E面喇叭的結構如圖3所示。

設計的尺寸為:a=0.397λ，b=0.794λ，A=1.75λ，B=0.794λ，C=2λ，D=λ，這時，E面的-11dB波瓣寬度等于55°，與拋物線2的張角Ψ相同，H面的3dB波瓣寬度等于66°.8單元喇叭陣列的總長度為6.37λ，即反射面的長度展寬到約為線陣的2倍。每個喇叭饋源的相位是基于幾何光學和惠更斯-菲涅爾原理進行配置，使陣列在xoz平面上的等效相位中心落在拋物線1的焦點F1上。這時，每個E面喇叭的饋電相位φi為

為了獲得最佳反射面，用FEKO軟件采用物理光學法分析了拋物線1的焦距f1和張角Ψ1對天線增益的影響，每次改變焦距f1時饋源的相位配置也按式（1）同時改變。找到最佳的參數為f1=35λ，Ψ1=24°.當Ψ1=24°時天線增益與f1的關系如圖4所示；當f1=35λ時天線增益與Ψ1關系如圖5所示。

可見，f1=35λ和Ψ1=24°對應了最佳增益值30dB.當Ψ1=24°時，由拋物線的性質可得H1=14λ.

圖6和圖7分別給出了f1=35λ，Ψ1=24°時天線在H面和E面的仿真歸一化方向圖。作為對比，采用相同尺寸陣列饋電和相同投影口面大?。℉1和H2）的等幅同相饋電的拋物柱面天線的方向性圖也在圖中給出。在E面，兩種天線的方向性圖相同，3dB波束寬度為4.9°.而在H面，焦散拋物曲面天線的3dB波瓣寬度為5°，副瓣電平為-14.8dB，而拋物柱面天線的3dB波束寬度為8.2°，副瓣電平為-12.6dB.焦散拋物曲面天線的增益為30dB，而拋物柱面天線的增益為27.8dB.與拋物柱面天線相比，焦散拋物曲面天線的增益提高了2.2dB，副瓣電平下降了2.2dB，表明采用焦散拋物曲面時天線的性能更好。這是因為根據惠更斯—費聶耳原理，采用式（1）進行相位配置的陣列可以在其H面的輻射等效一個位于拋物線1的焦點F1的源的輻射，均勻輻射的角度范圍近似為陣列對F1的張角，通過調整參數f1，可以使拋物曲面充分照射，經反射后在H面形成幅度近似臺階余弦的同相口面場分布，因而H面的有效口徑增大，H面波瓣變窄，增益提高，同時，臺階余弦的口面分布也使副瓣變低。而同樣口徑的拋物柱面天線，等幅同相饋電的陣列輻射寬度近似為陣列長度的均勻柱面波，只有一部分的反射面被照射，有效口面小，因而波瓣寬，增益低。而且有效照射部分的均勻幅度分布也使副瓣較高。

對于范圍更大的焦散曲面波，這個曲面波在H面和E面上的相位中心和焦散拋物曲面在這兩個面上的焦點重合，經反射面反射后可以形成平面波。

在實際應用中，不單需要產生高功率的電磁波束，還要求電磁波束在盡可能大的范圍內可以掃描控制［9］。為了實現在H面上的相控電掃描，采用等效橫向偏焦法。通過配置陣列的饋電相位，使其在xoz平面上的等效相位中心橫向偏移一段距離Δz到F1，如圖2（a）所示。根據拋物線的性質，偏焦后拋物曲面天線的口面場在H面上的相位偏差分布為［10］.

可以看出:饋源橫向偏焦時口面場相位偏移約為直線律偏移和立方律偏移之差，直線率偏移使輻射波束偏轉同一角度Δθ，偏轉角度與偏焦距離的關系為［9］

偏轉方向與偏焦方向相反，在偏焦距離比較小的時候近似為線性關系。但是，立方律相位偏移會使得天線主瓣變寬，增益變低，并將會出現不對稱的副瓣。

為了使陣列的相位中心偏移Δx，基于幾何光學和惠更斯-菲涅爾原理，每個E面喇叭的饋電相位φi為

圖8給出偏轉角度與偏焦距離的關系仿真結果和式（3）的結果，兩者符合得很好。由于式（2）中的非線性項，增益隨偏焦距離增大而下降，圖9仿真了天線增益下降與偏焦距離Δx的關系。由圖8和圖9看出，增益下降1dB時波束偏轉范圍約為±7.5°，表明等效橫向偏焦法可以在一定范圍內實現波束電掃描。

圖8 主波束偏轉角度與橫向偏焦量的關系

圖9 天線增益與橫向偏焦量的關系

2.仿真和測量結果

頻率f=12.5GHz下設計制作了實際天線進行測試，反射面的尺寸為H1=360mm、H2=325 mm、f1=850mm、f2=310mm，E面扇形喇叭尺寸為b=9.52mm、A=42mm、a=B=19.05mm、C=48mm、D=24mm.焦散拋物曲面天線與同樣投影口徑的拋物柱面天線的H面和E面歸一化方向圖的測量結果如圖10所示。

焦散拋物曲面天線測量結果為:增益30.3dB，E面3dB波束寬度4.8°，H面3dB波束寬度4.6°，副瓣電平為-16.1dB；拋物柱面天線測量結果為:增益28dB，E面3dB波束寬度5.0°，H面3dB波束寬度為7.8°，副瓣電平為-12.0dB.實驗結果和仿真結果相符，可以顯示同樣口徑的焦散拋物曲面天線比拋物柱面天線性能更好。

橫向 偏 焦 0cm（0λ）、3cm（1.2λ）和 6 cm（2.4λ）時的測量的H面歸一化方向圖如圖11所示:測量偏轉角度分別為:0°、2.3°和4.2°，仿真偏轉角度分別為0°、2°和4°，如圖8所示；測量的增益分別為30.3dB、29.8dB和29.7dB，仿真結果分別為30dB、29.9dB和29.7dB，如圖9所示?？梢?，測量和仿真結果在實驗誤差范圍內基本相符，表明提出的等效橫向偏焦電掃描方案是可行的。

3.結 論

提出了一種用于空間功率合成的陣饋焦散拋物曲面天線，研究了拋物曲面天線各個結構參數對天線性能的影響，并給出了達到最佳性能時天線的結構參數。仿真和測量結果顯示:焦散拋物曲面天線可以在給定方向有效地合成波束，實現空間功率合成。與同樣口徑的拋物柱面天線相比，能獲得更高的增益和更窄的波束。還對焦散拋物曲面天線的等效橫向偏焦電掃描特性進行了研究，給出了陣列饋電相位與H面主波束偏轉角的關系，測量的波束掃描結果也與理論和仿真結果比較相符，這對工程實踐具有一定的指導意義。

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