高功率微波徑向線連續(xù)橫向枝節(jié)陣列天線設(shè)計(jì)*

孫云飛，賀軍濤，袁成衛(wèi)，張 強(qiáng)，張澤海

(國防科技大學(xué) 前沿交叉學(xué)科學(xué)院， 湖南 長沙 410073)

天線作為高功率微波系統(tǒng)的輻射裝置，其特性直接決定了高功率微波系統(tǒng)的性能[1]。由于高功率微波的特殊性，高功率微波天線需要滿足一些特殊的要求，例如高功率容量、高輻射效率、高增益等[2-8]。多數(shù)高功率微波源的輸出模式為旋轉(zhuǎn)軸對(duì)稱模式，如同軸TEM模式、圓波導(dǎo)TM01模式等，如果這些模式直接由傳統(tǒng)的喇叭天線輻射，會(huì)產(chǎn)生軸向?yàn)榱愕沫h(huán)狀方向圖，不利于高功率微波能量的匯聚。近年來，研究人員設(shè)計(jì)了多種適用于高功率微波的輻射系統(tǒng)，包括模式轉(zhuǎn)換天線[2]、模式轉(zhuǎn)換器+喇叭天線[3-4]、徑向線螺旋陣子天線[5]、矩形波導(dǎo)窄邊裂縫天線[6]、高功率徑向線縫隙陣列天線[7-8]等。但是這些天線都只適用于較低的工作頻段，如L、S和X波段。高頻率是高功率微波技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要方向[9-10]，目前在Ku波段已取得了GW量級(jí)的微波輸出，現(xiàn)有的高功率微波天線難以滿足其應(yīng)用需求。連續(xù)橫向枝節(jié)(Continuous Transverse Stub, CTS)天線被廣泛應(yīng)用于高頻段衛(wèi)星和手機(jī)通信中[11-12]，它具有低剖面、低損耗、對(duì)加工精度要求不高等優(yōu)點(diǎn)，但是由于其內(nèi)部通常填充了介質(zhì)材料，造成了其功率容量較低，不能直接應(yīng)用于高功率微波領(lǐng)域?；诖耍疚奶岢霾⒀芯苛艘环N全金屬的徑向線CTS陣列天線，該天線具有較高的功率容量和較高的輻射效率，同時(shí)具有緊湊的結(jié)構(gòu)，可以用于Ku波段高功率微波的發(fā)射。

1 天線結(jié)構(gòu)

高功率微波CTS陣列天線的具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。天線采用雙層徑向線波導(dǎo)饋電，在上層徑向線波導(dǎo)的外側(cè)，同心排布著若干圈CTS輻射單元，相鄰輻射單元的徑向間距為一個(gè)波導(dǎo)波長。在上層徑向線波導(dǎo)的末端有一個(gè)短路金屬桿，金屬桿表面到最里圈縫隙中心的徑向距離為半個(gè)波導(dǎo)波長，因此該天線工作在駐波狀態(tài)。天線由同軸波導(dǎo)圓極化TE11模式注入，并通過CTS單元向外輻射，最終可以產(chǎn)生圓極化的實(shí)心方向圖。

圖1 天線結(jié)構(gòu)視圖Fig.1 Sketch of the antenna

2 天線設(shè)計(jì)

2.1 輻射單元設(shè)計(jì)

CTS輻射單元是天線的關(guān)鍵部件，它的結(jié)構(gòu)如圖2所示。該單元由三層臺(tái)階構(gòu)成，枝節(jié)的總高度為h，單層臺(tái)階的高度為h/3，各層臺(tái)階的寬度如圖2所示。為了將相鄰兩圈枝節(jié)連在一起，在最底層的圓環(huán)狀縫隙內(nèi)加入了一些小的金屬片，因此圓環(huán)狀縫隙被分割成若干個(gè)膠囊狀縫隙，分割后膠囊狀縫隙的寬度為w，長度為l。為了降低天線旁瓣，膠囊狀縫隙的長度需要小于一個(gè)波導(dǎo)波長，同時(shí)為了降低臺(tái)階處的表面電場，將臺(tái)階邊緣進(jìn)行倒角處理，倒角半徑為r。另外，為了保證徑向線波導(dǎo)內(nèi)TEM模單模傳輸，徑向線波導(dǎo)的高度b需要小于半個(gè)波導(dǎo)波長[13]。

圖2 輻射單元結(jié)構(gòu)視圖Fig.2 Structure of the radiator unit

經(jīng)過前面的分析，以Ku波段14.25 GHz為例，采用CST軟件對(duì)CTS單元進(jìn)行仿真優(yōu)化，同時(shí)與傳統(tǒng)的縫隙結(jié)構(gòu)進(jìn)行對(duì)比。在仿真中，用平行平板波導(dǎo)加磁邊界來替代一定角度的扇形徑向線波導(dǎo)。優(yōu)化后CTS單元的主要尺寸為相鄰枝節(jié)徑向間距p=21 mm，枝節(jié)高度h=15.6 mm，平行平板波導(dǎo)高度b=8 mm，臺(tái)階倒角半徑r=0.5 mm。在耦合系數(shù)相同的情況下，仿真得到兩個(gè)單元的內(nèi)部電場分布及方向圖，如圖3所示。其中：CTS單元內(nèi)的最大電場強(qiáng)度為1700 V/m，最大電場強(qiáng)度出現(xiàn)在平行平板內(nèi)，在縫隙處未發(fā)現(xiàn)電場集中現(xiàn)象。而傳統(tǒng)縫隙輻射單元內(nèi)的最大電場強(qiáng)度為3307 V/m，因此CTS單元具有更高的功率容量。同時(shí)CTS單元的增益比傳統(tǒng)縫隙單元高1.95 dB。在仿真的過程中還發(fā)現(xiàn)，當(dāng)縫隙寬度在0.1～3.5 mm內(nèi)變化時(shí)，CTS單元的反射系數(shù)始終小于-25 dB，因此該天線不需要額外的抵消反射結(jié)構(gòu)。

圖3 CTS輻射單元和傳統(tǒng)縫隙單元的電場和方向圖Fig.3 Electric field and far-field radiation pattern of the CTS radiator unit and traditional slot unit

2.2 天線口面設(shè)計(jì)

為了得到一個(gè)均勻的口面電場分布，各圈縫隙的歸一化等效電阻需要滿足特定的關(guān)系。首先建立如圖4所示的圓柱坐標(biāo)系，在圓柱坐標(biāo)系內(nèi)，柱面TEM?？梢员硎緸閇13]：

圖4 圓柱坐標(biāo)系Fig.4 Cylindrical-coordinate system

(1)

(2)

(3)

當(dāng)天線工作在駐波狀態(tài)時(shí)，由于經(jīng)過不同柱面的能量相同，因此有：

-∮s1S1·ds=-∮s2S2·ds

(4)

在上述表達(dá)式中，Poynting矢量S1和S2分別為ρ1和ρ2處的能量流密度，記為：

S=E×H

(5)

式(4)可以重寫為：

|Ez1×Hφ1|×2πρ1h=|Ez2×Hφ2|×2πρ2h

(6)

在真空中，波阻抗為η=η0≈377 Ω。 所以式(6)可以簡化為：

(7)

為了得到均勻的口面電場分布，輻射單元的歸一化等效電阻需要滿足：

(8)

為了使能量完全輻射，等效電阻還需滿足：

(9)

結(jié)合式(7)～(9)，最終有：

(10)

其中：N為總的圈數(shù)；λg為波導(dǎo)波長，這里與自由空間波長相等。當(dāng)給定輻射單元的中心位置時(shí)，對(duì)應(yīng)的歸一化等效電阻可由式(10)計(jì)算得到。

當(dāng)我們選擇膠囊狀縫隙長度l=10 mm時(shí)，仿真得到縫隙的歸一化等效電阻與縫隙寬度的關(guān)系如圖5所示。經(jīng)過數(shù)值擬合后，得到：

圖5 歸一化電阻隨縫隙寬度變化關(guān)系Fig.5 Normalized resistance versus the slot width

r=(-0.86+6.82w+19.03w2-1.35w3+

1.06w4-0.2w5)×10-3

(11)

擬合公式與仿真結(jié)果的誤差在0.02%以內(nèi)，可以用于后續(xù)的設(shè)計(jì)。

當(dāng)總的縫隙圈數(shù)為13、圓柱桿的半徑為8.7 mm時(shí)，天線輻射單元的主要參數(shù)見表1。

表1 天線輻射單元主要參數(shù)

3 天線仿真

當(dāng)天線輻射單元和天線口面設(shè)計(jì)完成后，整個(gè)天線的最終結(jié)構(gòu)如圖6所示。為了提高天線功率容量，天線內(nèi)部需要保持高真空狀態(tài)，因此在天線上面加入介質(zhì)天線罩，天線罩的厚度為20.6 mm，介質(zhì)介電常數(shù)為2.343。

圖6 天線最終結(jié)構(gòu)Fig.6 Structure of the antenna

用CST軟件對(duì)該天線進(jìn)行仿真，為了分析加工誤差對(duì)天線性能的影響，假設(shè)縫隙寬度在理論值的基礎(chǔ)上有-0.05 mm≤Δ≤0.05 mm的誤差，則在每個(gè)誤差值下天線的反射系數(shù)如圖7所示。由于注入的模式為兩個(gè)極化方向垂直的TE11模式，兩個(gè)模式的反射系數(shù)相同，因此圖中只給出了其中一個(gè)分量的反射系數(shù)。從圖7中可以看出，在14.13～14.37 GHz的頻帶范圍內(nèi)，天線的反射系數(shù)小于-10 dB，天線的帶寬超過240 MHz。在中心頻點(diǎn)附近，不同加工誤差下，天線的反射系數(shù)始終小于-17 dB，在不考慮歐姆損耗的條件下，超過98.3%的能量被輻射出去，說明此范圍內(nèi)的誤差對(duì)于天線的工作性能影響不大。

圖7 天線的反射系數(shù)Fig.7 Reflection coefficient of the antenna

圖8給出了不同頻點(diǎn)處天線的方向圖，從圖中可以看出，在中心頻點(diǎn)14.25 GHz處，天線的增益為35.3 dBi，計(jì)算得到天線的口徑效率為47%，仿真得到天線的輻射效率超過99%，天線的軸比小于0.1 dB。為了提高天線的口徑效率，可以在徑向線上層波導(dǎo)中加入慢波結(jié)構(gòu)，減小徑向線波導(dǎo)內(nèi)的波導(dǎo)波長，增加天線口面上縫隙的圈數(shù)，從而提高天線的增益。

圖8 天線的仿真方向圖Fig.8 Simulated far-field patterns of the antenna

為了估算天線的功率容量，對(duì)天線內(nèi)部的電場進(jìn)行了監(jiān)測，結(jié)果如圖9、圖10所示。當(dāng)注入功率為1 W時(shí)，天線內(nèi)部的最大電場強(qiáng)度為1604 V/m，在縫隙處并未發(fā)現(xiàn)明顯的電場集中現(xiàn)象。當(dāng)天線在高真空狀態(tài)下工作時(shí)，金屬的表面擊穿電場為100 MV/m[14]，保守計(jì)算時(shí)取60 MV/m，估計(jì)該天線的功率容量可達(dá)到 GW量級(jí)，能夠滿足目前多數(shù)Ku波段高功率微波源的應(yīng)用需求。

圖10 縫隙處電場Fig.10 Electric field distribution in the slots

圖9 天線的切面電場Fig.9 Electric field distribution in the longitudinal section of the antenna

為了保證天線在實(shí)驗(yàn)中依然具有GW量級(jí)功率容量，需要對(duì)天線表面進(jìn)行拋光處理，同時(shí)可以在天線口面加一個(gè)SF6氣袋，降低介質(zhì)天線罩的擊穿風(fēng)險(xiǎn)。

4 結(jié)論

本文提出并設(shè)計(jì)了一種可以應(yīng)用于高頻段高功率微波的輻射天線，通過理論分析和仿真計(jì)算相結(jié)合的方法對(duì)該天線進(jìn)行了驗(yàn)證。結(jié)果表明：該天線具有較高的功率容量和增益，同時(shí)結(jié)構(gòu)緊湊、易于加工，可以作為Ku頻段高功率微波的發(fā)射天線。