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(tǒng)中，往往需要把大功率的定向電磁輻射波束輻射到作戰(zhàn)空間，用傳統(tǒng)的固態(tài)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(wǎng)絡(luò)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(xiàn)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(xiàn)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(chǔ)上，對窗口效應(yīng)形成的原因和產(chǎn)生的影響進行了分析，并提出了兩種能夠減小窗口效應(yīng)的窗口函數(shù)［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(xiàn)，因此，用線陣饋電的偏置拋物柱面天線是實現(xiàn)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(shù)，這會大幅度提高系統(tǒng)的成本。如果不增加喇叭陣列的單元數(shù)，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(jù)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(xiàn)柵瓣，使功率在不需要的方向產(chǎn)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(chǎn)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(xiàn)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(jù)惠更斯-菲涅爾原理進行設(shè)置，使每個喇叭天線的輻射經(jīng)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(shù)據(jù)和結(jié)果也可以為相關(guān)的微波毫米波雷達系統(tǒng)、遠距離通信系統(tǒng)和電子對抗系統(tǒng)的應(yīng)用提供參考。

1.天線設(shè)計和分析

焦散拋物曲面空間功率合成天線的結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)如圖3所示。

設(shè)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(shù)為f1=35λ，Ψ1=24°.當Ψ1=24°時天線增益與f1的關(guān)系如圖4所示；當f1=35λ時天線增益與Ψ1關(guān)系如圖5所示。

可見，f1=35λ和Ψ1=24°對應(yīng)了最佳增益值30dB.當Ψ1=24°時，由拋物線的性質(zhì)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(jù)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(diào)整參數(shù)f1，可以使拋物曲面充分照射，經(jīng)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(jīng)反射面反射后可以形成平面波。

在實際應(yīng)用中，不單需要產(chǎn)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(nèi)可以掃描控制［9］。為了實現(xiàn)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(jù)拋物線的性質(zhì)，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(zhuǎn)同一角度Δθ，偏轉(zhuǎn)角度與偏焦距離的關(guān)系為［9］

偏轉(zhuǎn)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(guān)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(xiàn)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(zhuǎn)角度與偏焦距離的關(guān)系仿真結(jié)果和式（3）的結(jié)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(guān)系。由圖8和圖9看出，增益下降1dB時波束偏轉(zhuǎn)范圍約為±7.5°，表明等效橫向偏焦法可以在一定范圍內(nèi)實現(xiàn)波束電掃描。

圖8 主波束偏轉(zhuǎn)角度與橫向偏焦量的關(guān)系

圖9 天線增益與橫向偏焦量的關(guān)系

2.仿真和測量結(jié)果

頻率f=12.5GHz下設(shè)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(jié)果如圖10所示。

焦散拋物曲面天線測量結(jié)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(jié)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(jié)果和仿真結(jié)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(zhuǎn)角度分別為:0°、2.3°和4.2°，仿真偏轉(zhuǎn)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(jié)果分別為30dB、29.9dB和29.7dB，如圖9所示?？梢?，測量和仿真結(jié)果在實驗誤差范圍內(nèi)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(jié) 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(jié)構(gòu)參數(shù)對天線性能的影響，并給出了達到最佳性能時天線的結(jié)構(gòu)參數(shù)。仿真和測量結(jié)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(xiàn)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(zhuǎn)角的關(guān)系，測量的波束掃描結(jié)果也與理論和仿真結(jié)果比較相符，這對工程實踐具有一定的指導意義。

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