高增益空間功率合成天線的研究

1、第二部分 微波毫米波天線與散射485高增益空間功率合成天線的研究張榮幸,謝澤明,褚慶昕華南理工大學(xué),電子與信息學(xué)院,廣東 廣州 510640eezmxie摘要:分別用扇形喇叭線陣,角錐喇叭線陣,功分喇叭線陣作為偏饋拋物柱面天線的饋源實(shí)現(xiàn)空間功率合成,在喇叭路數(shù)相 同的情況下,角錐喇叭線陣作為饋源比扇形喇叭線陣作為饋源的天線增益提高 2dB ,天線的方向圖中出現(xiàn)柵瓣。用功分喇叭 線陣作饋源能克服角錐喇叭線陣作饋源產(chǎn)生柵瓣的缺點(diǎn),天線增益再提高 0.5dB ,天線的口徑利用效率由 69%提高到 77%。 關(guān)鍵字:空間功率合成,高增益,功分喇叭Study of High Gain Spatial P

2、owerCombining AntennaRong-Xing Zhang, Ze-Ming Xie, Qing-Xin ChuSchool of Electronic and Information Engineering, South China University of TechnologyGuangzhou, Guangdong, 510640, ChinaEmail: eezmxieAbstract: An offset parabolic cylindrical reflector antenna fed with a sector horn array, a pyramidal

3、horn array, a power dividing horn array respectively is study in this paper. The gain of the antenna fed with the pyramidal horn array is 2dB higher than that of the antenna fed with the sector horn array. The grating lobes which produced by the pyramidal horn array can overcome by using the power d

4、ividing horn array and the gain of the antenna can be increased by 0.5dB. The aperture efficiency of the antenna fed with power dividing horn array is 77% when that of the antenna fed with pyramidal horn array is 69%. Key Words: spatial power combining, high gain, power dividing horn1 引言在通信對(duì)抗領(lǐng)域,要獲得很

5、大的微波干擾功率有 兩種方法:一是采用固態(tài)功率合成技術(shù),但研制超大 功率受到高壓電源和高功率器件等因素的限制;二是 利用空間功率合成技術(shù)大幅度提高干擾功率,這能突 破功率器件的制約,得到更強(qiáng)大的干擾功率 1。利用 多個(gè)天線單元發(fā)射頻率相同、相位符合特定關(guān)系的電 磁波,使之在空間傳播過(guò)程中相互疊加合成,從而在 一定方向上形成電磁波束的技術(shù)稱為空間功率合成 技術(shù) 2?？臻g功率合成的各路功放并行工作,各路信 號(hào)通過(guò)低耗波導(dǎo)傳播到空中進(jìn)行合成,具有較高的合 成效率,因而得到了廣泛的應(yīng)用 3。本文主要研究在不增加喇叭路數(shù)(即不增加大功率微波功放的數(shù)量,這是控制系統(tǒng)成本常常需要考慮 的問(wèn)題情況下,如何進(jìn)一

6、步提高喇叭線陣偏饋拋物 柱面型空間功率合成天線的增益。在保持喇叭路數(shù)不 變的情況下,用角錐喇叭代替扇形喇叭作為饋源單 元,線陣的長(zhǎng)度增大,拋物柱面的口徑同時(shí)增大,天 線增益提高,但過(guò)大的陣元間距會(huì)使天線方向性圖出 現(xiàn)柵瓣 4,導(dǎo)致非干擾方向出現(xiàn)功率泄漏。本文提出 用功分喇叭作為線陣單元,使拋物柱面天線的口面場(chǎng) 分布更均勻,提高了拋物柱面天線的口徑利用效率, 克服角錐喇叭線陣饋源產(chǎn)生柵瓣的缺點(diǎn),進(jìn)一步提高 了空間功率合成天線的增益。2 天線結(jié)構(gòu)描述拋物柱面空間功率合成天線包括多個(gè)天線單元 組成的線性饋源陣列和拋物柱面反射板?？臻g功率合2007年全國(guó)微波毫米波會(huì)議論文集 486成的原理示意圖和偏饋

7、拋物柱面天線結(jié)構(gòu)如圖 1所 示。微波信號(hào)經(jīng)過(guò)分路器分成若干路依次接上移相器 和功放通過(guò)波導(dǎo)對(duì)喇叭單元進(jìn)行饋電。為了實(shí)現(xiàn)水平 極化, 16路喇叭 E 面水平放置以 D 為陣元中心間距組成 陣列放在拋物柱面的焦線位置作為饋源,微波信號(hào)由 喇叭發(fā)射經(jīng)過(guò)拋物柱面反射后在空中進(jìn)行高功率合 成。拋物柱面天線的俯視圖和側(cè)視圖如圖 2所示,天 線采用偏饋的形式,為了避免了拋物柱面反射波對(duì)饋 源的影響,截去拋物柱面張角小于 0=5o 的部分。拋 物柱面夾角為 =55o ,最大張角為 0+=60o ,喇叭的 照射角度為 m =32.5o , m 為拋物柱面夾角的平分線指 向。拋物柱面的水平投影寬度為 T 。拋物柱

8、面的高度 為 H ,為了減少拋物柱面的后向輻射, H 比喇叭陣列的 垂直面總高度兩邊分別多留出 H 0=0.625的高度,拋 物 柱 面 的 有 效 口 徑 尺 寸 為 T*H。 拋 物 面 的 焦 距 為 F=12.5。拋物柱面天線的水平面尖銳波束通過(guò)拋物面反 射形式形成,垂直面尖銳波束通過(guò)喇叭組陣的方式形 成。水平面和垂直面的波束寬度可獨(dú)立調(diào)整,通過(guò)移 相器對(duì)饋電相位的調(diào)整,合成波束可在垂直面進(jìn)行電 掃描。不失一般性,本文所有頻率對(duì)工作的中心頻率 f 0歸一化,所有尺寸為電尺寸,其中 為 f 0對(duì)應(yīng)空氣中 的波長(zhǎng)。本文比較了不同饋源的三副空間功率合成天線, 天線一用 E 面扇形喇叭線陣作為

9、饋源,天線二用角錐 喇叭線陣作為饋源,天線三用功分喇叭線陣作為饋 源,拋物柱面的焦距和張角保持不變,拋物面高度 H 隨著喇叭的 H 面口徑作相應(yīng)的調(diào)整。三副天線對(duì)應(yīng)的 饋源陣列示意圖如圖 3所示。圖 3(a 為饋源一的 H 面 示意圖,圖 3(b 為其 E 面示意圖,矩形波導(dǎo)口徑尺寸 a=0.794, b=0.397,波導(dǎo)工作于 TE 10模,喇叭 E 面口面場(chǎng)為均勻分布, H 面口面場(chǎng)為余弦分布。 D1為 饋源一的陣元中心間距,饋源一對(duì)應(yīng)的拋物柱面天線 高度 H=16*D1+2*H0。 C=1.979為喇叭的長(zhǎng)度, A1=a為喇叭的 H 面口徑尺寸,調(diào)整喇叭的 E 面口徑尺寸 B1, 當(dāng)拋物

10、柱面天線的增益最高時(shí)確定 B1取值。天線二對(duì) 應(yīng)的饋源二的示意圖和尺寸如圖 3(c , (d 所示,饋 源二是張開(kāi)饋源一中 E 面扇形喇叭的 H 面口徑形成角 錐喇叭,喇叭 H 面口徑為 A2,喇叭的單元間距加大為 D2,此時(shí)拋物柱面高度 H=16*D2+2*H0。調(diào)整喇叭的 E 面口徑 B2,當(dāng)拋物柱面天線的增益最高時(shí)確定 B2取 值。天線三對(duì)應(yīng)的饋源三的示意圖和尺寸如圖 3(e , (f 所示, 饋源三是延長(zhǎng)饋源二中的角錐喇叭的張口, 并在口面中間加水平金屬劈來(lái)改變喇叭口面場(chǎng)分布, 形成功分喇叭,該喇叭的 H 面口徑 A3與饋源二中 A2相 等,陣元間距 D3也與 D2相等。喇叭的 E 面

11、口徑 B3確定 也以拋物柱面天線增益最高為標(biāo)準(zhǔn)。三副天線的主要 參數(shù)對(duì)比如表 I 所示。圖 1 偏饋拋物柱面天線結(jié)構(gòu)示意圖表 I 偏饋拋物柱面天線主要參數(shù)對(duì)比饋源喇叭 拋物柱面饋源單元喇叭路數(shù) E 面口徑 H 面口徑 單元間距 投影寬度 T 垂直高度 H 天線一 扇形喇叭 16 1.5 0.794 0.877 13.342 15.283 天線二 角錐喇叭 16 1.25 1.417 1.5 13.342 25.25 天線三功分喇叭161.1671.4171.513.34225.25第二部分 微波毫米波天線與散射 487(a 俯視圖, (b 側(cè)視圖 圖 2 偏饋拋物柱面天線(a 扇形喇叭線陣 H

12、 面, (b 扇形喇叭 E 面 (c 角錐喇叭線陣 H 面, (d 角錐喇叭 E 面 (e 功分喇叭線陣 H 面, (f 功分喇叭 E 面圖 3 喇叭饋源陣列的示意圖3 計(jì)算結(jié)果本文用 FEKO 軟件對(duì)上述的三副天線進(jìn)行計(jì)算, 喇叭饋源部分用矩量法求解,拋物柱面反射板部分用 物理光學(xué)方法求解,在保證計(jì)算準(zhǔn)確度的同時(shí),節(jié)省 計(jì)算機(jī)內(nèi)存容量和計(jì)算時(shí)間。三種饋源喇叭單元的駐 波比如圖 4所示,扇形喇叭,角錐喇叭和功分喇叭的 駐波比在工作頻帶內(nèi)均小于 1.3,三種喇叭的匹配性能 良好。三副天線的 E 面方向性圖如圖 5所示, H 面方向 性圖如圖 6所示,三副天線的增益、半功率角、口徑 利用效率如表

13、II 所示。從增益來(lái)看,由于天線二張開(kāi)了天線一的 E 面扇 形喇叭的 H 面口徑,天線二的 H 面口徑較大,故天線二 的增益比天線一的增益高出 2dB ,這證明了在相同的喇叭路數(shù)情況下,用角錐喇叭線陣作為饋源比扇形喇 叭線陣作為饋源的拋物柱面天線具有更高的增益。從 口面利用效率來(lái)看,由于天線二張開(kāi)了扇形喇叭的 H 面口徑,口面場(chǎng)變得更加不均勻,天線二的口面利用 效率下降到 68.9%; 雖然天線三張開(kāi)了扇形喇叭的 H 面 口徑,但由于金屬劈對(duì)口面場(chǎng)的分隔作用,口面場(chǎng)變 得更加均勻,天線的口面利用效率提升到 77%,所以 在相同的口徑尺寸情況下,天線三比天線二的增益高 0.5dB 。從波束覆蓋范

14、圍來(lái)看,由于天線增益的提高, 天線三和天線二的半功率角都比天線一的更窄。從方 向性圖來(lái)看,天線二的饋源陣元間距大于 , H 面方 向性圖在 43度方向出現(xiàn)柵瓣,引起空間功率合成天線 在非干擾方向出現(xiàn)大功率泄漏,天線三采用功分喇叭 線陣作為饋源,克服了角錐喇叭線陣產(chǎn)生柵瓣的缺 點(diǎn),空間功率合成無(wú)大功率泄漏。圖 4 喇叭單元的駐波比圖 5 偏饋拋物柱面天線的 E 面方向性圖2007年全國(guó)微波毫米波會(huì)議論文集 488圖 6 偏饋拋物柱面天線的 H 面方向性圖表 II 偏饋拋物柱面天線的主要性能對(duì)比天線一 天線二 天線三 饋源單元 扇形喇叭 角錐喇叭 功分喇叭 口面尺寸 T*H 2042 337233

15、72增益(dB 32.60 34.65 35.13 E 面半功率角(度 4 3.8 3.8 H 面半功率角(度 3.6 2.1 2.1 口徑利用效率 71.0%68.9%77.0%4 結(jié)論本文研究了分別用 E 面扇形喇叭線陣,角錐喇叭 線陣,功分喇叭線陣作為饋源的偏饋拋物柱面空間功 率合成天線。在喇叭路數(shù)相同的情況下,角錐喇叭線 陣作饋源的拋物柱面天線增益比 E 面扇形喇叭線陣作 饋源的增益更高,但口徑利用效率下降,波束覆蓋范 圍變窄,當(dāng)角錐喇叭線陣的陣元間距過(guò)大時(shí)天線的 H 面方向性圖出現(xiàn)柵瓣。與角錐喇叭線陣作饋源的拋物 柱面天線相比,功分喇叭線陣作饋源的天線口面場(chǎng)分 布更均勻,能克方向性圖出現(xiàn)柵瓣的缺點(diǎn),口徑利用 效率提高。在不增加喇叭路數(shù)(不增加大功率功放成 本的情況下,實(shí)現(xiàn)更高的空間功率合成天線增益的 較好方法是采用功分喇叭線陣作饋源。參考文獻(xiàn)1 章宇兵,張浩,廖桂生, “任意分散布陣短波通信干擾 機(jī)空間功率合成技術(shù), ”西安電子科技大學(xué)學(xué)報(bào), 2006, 33(1 .2 齊亞平,朱林芳, “短波多站空間功率合成通信干擾技 術(shù)研究, ”電子對(duì)抗, 2000, 3.3 DeLisio, M.P. York, R.A, “ Quasi-optical and spati