帶有扼流槽結(jié)構(gòu)的共形波導(dǎo)縫隙陣列天線研究

廖 勇,謝 平,于愛民,馬弘舸

(中國工程物理研究院應(yīng)用電子學(xué)研究所,四川綿陽621900)

隨著高功率微波技術(shù)的發(fā)展,微波天線與載體共形成為重要的發(fā)展趨勢。其中,與圓柱共形的天線最為常見。KOSLOVER[1]設(shè)計(jì)了一款與圓柱表面共形的波導(dǎo)縫隙陣列天線,口徑效率達(dá)到55 %。共形天線的輻射特性受到共形曲面的顯著影響,與平面陣列天線相比,一般共形天線口徑效率明顯較低[2]。波導(dǎo)縫隙陣列天線增益會受到陣列波導(dǎo)間互耦的影響而降低,通過增大波導(dǎo)間距可降低互耦影響[1,3],但波導(dǎo)間距離增大不利于天線小型化和緊湊化設(shè)計(jì),當(dāng)波導(dǎo)間距超過一個(gè)波長時(shí)會引入柵瓣[2]。通過波導(dǎo)間加載人工超材料也可降低互耦影響[4],但會明顯增加陣列天線的厚度。文獻(xiàn)[5]提出在波導(dǎo)間采用扼流槽結(jié)構(gòu)抑制波導(dǎo)間互耦并提升陣列天線輻射特性,與傳統(tǒng)四分之一波長深度扼流槽結(jié)構(gòu)不同,優(yōu)化后的扼流槽深度明顯小于四分之一波長,文獻(xiàn)[5]分析認(rèn)為優(yōu)化后的扼流槽參與了微波輻射,起到了調(diào)制陣列表面波的作用。

本文設(shè)計(jì)了與圓柱共形的L波段寬邊縱縫波導(dǎo)縫隙陣列天線,天線波導(dǎo)間設(shè)計(jì)了扼流槽結(jié)構(gòu),抑制了波導(dǎo)間互耦,提高了天線增益。

1 共形波導(dǎo)縫隙陣列天線結(jié)構(gòu)

圖1為L波段與圓柱面共形的波導(dǎo)縫隙陣列天線示意圖。

圖1 L波段與圓柱面共形的波導(dǎo)縫隙陣列天線

由圖1可見：該天線由6根基于扇形波導(dǎo)的共形波導(dǎo)寬邊縱縫駐波陣組成,每根輻射扇形波導(dǎo)有9個(gè)輻射縫隙;對扇形波導(dǎo)從左到右分別編號為1#,2#,3#,4#,5#,6#,其中,1#,2#,5#,6#為共形陣列天線兩側(cè)邊上波導(dǎo),3#,4#為共形陣列天線中間波導(dǎo)。天線通過帶介質(zhì)天線窗的波導(dǎo)縫隙陣實(shí)現(xiàn)微波輻射。共形波導(dǎo)縫隙陣列天線口徑的長為1 258 mm,寬為727 mm,共形半徑為380 mm。共形陣列天線的工作頻率為1.575 GHz。

2 扼流槽對共形波導(dǎo)縫隙陣列天線的影響

扇形陣列波導(dǎo)兩側(cè)的扼流槽結(jié)構(gòu),可改善天線輻射性能[3-12]。圖2為帶扼流槽結(jié)構(gòu)的共形波導(dǎo)縫隙陣到天線截面示意圖。為減小扼流槽結(jié)構(gòu)尺寸,在扼流槽中填充了介電常數(shù)為9.21的陶瓷塊。

圖2 帶扼流槽結(jié)構(gòu)的共形波導(dǎo)縫隙陣列天線截面示意圖

共形陣列天線兩側(cè)邊上波導(dǎo)互耦系數(shù)S12和中間波導(dǎo)互耦系數(shù)S34隨頻率f的變化關(guān)系如圖3所示。

(a)S12vs. f

(b)S34vs. f

由圖3可見：工作頻率為1.575 GHz時(shí),增加扼流槽結(jié)構(gòu)后,共形陣列邊上波導(dǎo)間互耦系數(shù)S12由-17.2 dB減小到-20.8 dB,減小了3.6 dB,共形陣列中間波導(dǎo)間互耦系數(shù)S34由-24.9 dB減小到-29.3 dB,減小了4.4 dB,表明工作頻率為1.575 GHz時(shí),扼流槽結(jié)構(gòu)對邊上和中間波導(dǎo)互耦系數(shù)均有大于3 dB的改善作用。由圖3還可見,無扼流處結(jié)構(gòu)時(shí),在工作頻率1.575 GHz處,共形陣列天線兩側(cè)邊上波導(dǎo)間互耦系數(shù)比中間波導(dǎo)強(qiáng)7.7 dB。

共形波導(dǎo)陣列天線增益隨扼流槽結(jié)構(gòu)深度及寬度的變化關(guān)系如圖4所示。由圖4可見,當(dāng)扼流槽寬度為20 mm,深度為14 mm時(shí)(0.22倍介質(zhì)波長),陣列天線增益達(dá)到峰值23.3 dB;當(dāng)扼流槽深度為14 mm,扼流槽寬度大于12.5 mm時(shí),陣列天線增益大于23.2 dB,且增益曲線趨于平緩。

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

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

共形陣列天線兩側(cè)邊上波導(dǎo)間互耦系數(shù)S12及中間波導(dǎo)互耦系數(shù)S34隨扼流槽深度的變化關(guān)系如圖5所示。由圖5可見：當(dāng)深度為14 mm時(shí),共形陣列邊上相鄰波導(dǎo)單元間互耦系數(shù)達(dá)最小值-21 dB,此扼流槽深度也對應(yīng)天線增益最大點(diǎn);當(dāng)深度為15 mm時(shí),共形陣列中間相鄰波導(dǎo)間互耦系數(shù)達(dá)到最小值-32.5 dB。由于共形陣列邊上相鄰波導(dǎo)間互耦系數(shù)比中間相鄰波導(dǎo)大一些,因此扼流槽深度取14 mm,此深度并不是傳統(tǒng)的0.25倍介質(zhì)波長扼流槽的深度。

(a)S12

(b)S34

饋入功率為6 W時(shí),有扼流槽結(jié)構(gòu)和無扼流槽結(jié)構(gòu)的共形波導(dǎo)縫隙陣列天線橫截面電場強(qiáng)度分布如圖6所示。

(a)With the choke groove

(b)Without the choke groove

由圖6可見,共形陣列天線的扼流槽結(jié)構(gòu)與波導(dǎo)縫隙一樣具有輻射微波的作用,這是具有扼流槽結(jié)構(gòu)的共形波導(dǎo)縫隙陣列天線增益提高的主要原因。

陣列天線的功率容量主要由介質(zhì)窗表面電場強(qiáng)度決定[9]。取介質(zhì)窗表面空氣擊穿電場強(qiáng)度EAB為30 kV·cm-1[9],圖6所示介質(zhì)窗表面大氣側(cè)最大電場強(qiáng)度Eant約為214 V·m-1,則陣列功率容量Pr可表示為

(1)

共形波導(dǎo)縫隙陣列天線橫截面在陣面縫隙附近的電場強(qiáng)度分布如圖7所示。由圖7可見：共形陣列天線縫隙附近電場在陣列兩側(cè)波導(dǎo)的波動(dòng)較為強(qiáng)烈;具有扼流槽結(jié)構(gòu)的共形陣列兩側(cè)波導(dǎo)的電場強(qiáng)度明顯低于無扼流槽結(jié)構(gòu)的共形陣列天線,最大相差約20%。這進(jìn)一步說明了扼流槽結(jié)構(gòu)能有效抑制共形陣列天線兩側(cè)波導(dǎo)間的互耦影響。

圖7 共形波導(dǎo)縫隙陣列天線橫截面在陣面縫隙附近的電場分布

圖8為優(yōu)化后的共形波導(dǎo)縫隙陣列天線H面和E面方向圖。由圖8可見：無扼流槽結(jié)構(gòu)的天線最大增益為21.9 dB,帶扼流槽結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的天線最大增益為23.3 dB,提高了1.4 dB;共形波導(dǎo)縫隙陣列天線口徑輻射效率由48.9 %提高到67.5 %,提升了18.6 %;共形波導(dǎo)縫隙陣列天線有扼流槽結(jié)構(gòu)時(shí),H面輻射主瓣3 dB寬度為 7.0°,E面為12.6°,無扼流槽結(jié)構(gòu)時(shí),H面輻射主瓣3 dB寬度為7.0°,E面為14.0°,表明,扼流槽結(jié)構(gòu)對共形陣列天線E面方向圖主瓣有一定的壓縮作用,提高了天線輻射的方向性(提高0.46 dB)。此外,由圖8(b)還可見,與無扼流槽結(jié)構(gòu)天線相比,帶扼流槽結(jié)構(gòu)的共形陣列天線E面方向圖第1個(gè)零點(diǎn)電平提高了約11 dB,表明扼流槽結(jié)構(gòu)增強(qiáng)了陣列兩側(cè)波導(dǎo)間輻射。除展寬共形陣列天線的有效陣面寬度外,扼流槽結(jié)構(gòu)主要通過增加輻射單元和抑制表面波傳播來提高輻射效率,最終達(dá)到提高天線增益的目的。

(a)H-plane

(b)E-plane

3 共形波導(dǎo)縫隙陣列天線仿真結(jié)果

完成仿真優(yōu)化后的共形波導(dǎo)縫隙陣列天線有源反射系數(shù)隨頻率的變化關(guān)系如圖9所示。

圖9 共形波導(dǎo)縫隙陣列天線有源反射系數(shù)

由圖9可見：頻率為1.55～1.60 GHz時(shí)共形波導(dǎo)縫隙陣有源反射系數(shù)小于-10 dB。在工作頻率為1.575 GHz時(shí),共形波導(dǎo)縫隙陣列天線有源反射系數(shù)小于-24 dB。圖10為共形波導(dǎo)縫隙陣列天線仿真3D方向圖。由圖10可見,天線最大增益為23.3 dB。天線口徑輻射效率約為67.5%。

圖10 共形波導(dǎo)縫隙陣列天線仿真3D方向圖

4 共形波導(dǎo)縫隙陣列天線實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖11為加工完成的帶有功分網(wǎng)絡(luò)的共形波導(dǎo)縫隙陣列天線實(shí)物圖。

圖11 共形波導(dǎo)縫隙陣列天線實(shí)物圖

在微波暗室采用近場測試系統(tǒng)對共形波導(dǎo)縫隙陣列天線輻射特性進(jìn)行測試,工作頻率為1.575 GHz時(shí),共形波導(dǎo)縫隙陣列天線H面和E面實(shí)測規(guī)一化方向圖如圖12所示。

(a)H-plane

(b)E-plane

由圖12可見：工作頻率為1.575 GHz時(shí),H面和E面方向圖的3 dB主瓣寬度分別為12.28°和6.6°。共形陣列天線的增益(含功分網(wǎng)絡(luò)插損1.1 dB)達(dá)22.1 dB。與仿真結(jié)果相比,實(shí)測天線方向圖3 dB主瓣寬度要窄一些,分析原因可能是天線加工偏差造成的。

圖13為共形陣列天線進(jìn)行高功率微波實(shí)驗(yàn)時(shí)的輻射波形。由圖13可見,饋入共形天線的高功率微波功率為1.1 GW,實(shí)測微波中心頻率為1.575 GHz,輻射波形脈沖半高寬為57 ns。

圖13 共形波導(dǎo)縫隙陣列天線進(jìn)行高功率微波實(shí)驗(yàn)時(shí)的輻射波形

表1為共形波導(dǎo)縫隙陣列天線的性能。其中,尺寸指共形陣列天線的長度、共形半徑和口徑寬度。由表1可知,與文獻(xiàn)[1]相比,本文設(shè)計(jì)的共形波導(dǎo)陣列天線在共形半徑及整體尺寸較小的情況下,口徑效率提高了11%,原因是扼流槽結(jié)構(gòu)抑制了陣列表面波,參與了微波輻射。

表1 共形波導(dǎo)縫隙陣列天線的性能

5 結(jié)論

本文對共形波導(dǎo)縫隙陣列天線進(jìn)行了研究,設(shè)計(jì)了一款與圓柱面共形的L波段寬邊縱縫波導(dǎo)縫隙陣列天線,由6 根扇形波導(dǎo)組成。采用扼流槽結(jié)構(gòu)有效抑制了共形波導(dǎo)縫隙陣列兩側(cè)波導(dǎo)間的互耦影響,同時(shí)扼流槽結(jié)構(gòu)參與了微波輻射。測試結(jié)果表明,共形陣列天線的增益達(dá)22.1 dB(含功分網(wǎng)絡(luò)損耗1.1 dB),天線口徑輻射效率達(dá)66.0 %,功率容量達(dá)到1.1 GW。研究成果可為高功率微波共形陣列天線設(shè)計(jì)提供參考。