侧馈式紧凑型扁波导螺旋阵列天线的设计

赵玮琛,张政权,张健穹,刘庆想,李相强,梁 源

(西南交通大学 物理科学与技术学院,成都 610031)

伴随着高功率微波技术的迅速发展,人们对其相关的天线技术展开了广泛的研究,如波导模式转换器加辐射喇叭、Vlasov天线、COBRA天线等[1-4]。其中,阵列天线由于在高功率方面的优势得到了广泛的研究。刘庆想等[5]首先提出了径向线螺旋阵列天线的思想,并在此基础上改进了可拼接组合的方形子阵[6],从而使得阵列天线的增益得到显著提高,之后,又优化得到了矩形可拼接子阵[7],从而打破了子阵的形状限制,使得阵列天线的阵面设计更加灵活。

基于径向线的螺旋阵列天线馈电结构采用的是同轴波导输入结构,利用同轴-径向线模式转换器实现同轴馈电到径向线外形波的转化,能够通过多个子阵的拼接和功率分配网络馈电实现高增益阵列天线,但由于存在输入同轴波导、功率分配器和连接结构,其轴向尺寸受到一定程度的限制,从而影响了其紧凑性。为了探究紧凑型矩形螺旋阵列天线系统,本文设计了L波段高功率矩形扁波导侧馈式螺旋阵列天线馈电网络,实现了阵列天线的均匀馈电,从而使整个子阵具备较高增益。将两个66单元的矩形子阵拼接即可得到具备更高增益的132单元阵列天线系统。传统的方形子阵采用的是径向线馈电,馈电位置位于子阵底部的中心,因此馈电系统内部的微波分布相对均匀,但多个正方形子阵拼接会造成较大的插入损耗,对增益会产生较大影响;同时在子阵数目较多时,功率分配器会占用较大空间,不利于实现馈电系统的紧凑型。为实现紧凑型的高增益的阵列天线系统,设计了一种侧馈式矩形子阵,矩形子阵采用侧面馈电的方式,功率分配器也放置在侧面,因此使得整个阵列天线系统的轴向长度大大减小,具有实现紧凑性的优势,然而由于子阵单元数目较多,且扁波导内微波传输不均匀,因此对探针耦合能力要求较高,单一探针结构无法适用全部单元,在设计时根据单元位置采用了多种不同探针,最终实现了子阵的等幅馈电。

本文首先阐述了该阵列的工作原理,在此基础上对耦合探针及馈电系统进行设计,实现了L波段紧凑型阵列天线,最后通过数值模拟对阵列性能进行了分析。

图1 侧馈式扁波导螺旋阵列天线三维示意图Fig.1 Three dimensional diagram of the side-feed slab waveguide helical array antenna

图2 馈电系统示意图Fig.2 Graphs of the feed system

1 工作原理

图1给出了132单元侧馈式扁波导螺旋阵列天线的示意图,完整的阵列天线包括两个22×3的矩形子阵,每个子阵的窄边方向封口外边缘距离辐射单元的距离等于相邻两个辐射单元距离的一半,两个子阵拼接后即可得到等间距阵列天线。其工作原理为:微波由同轴波导输入,通过图2(a)所示的同轴-圆波导-两路矩形波导功分器实现两个子阵的功率分配,子阵馈电系统结构如图2(b)所示;子阵入口位于阵面长边一端的下方,与功分器的出口直接相连,微波由子阵入口经过一个90度的转弯结构实现在扁波导内的单向传播,根据设计尺寸的要求,扁波导的高度在距离入口270mm处由60 mm降为30 mm。子阵中的螺旋天线单元通过耦合探针从波导内提取能量,从而实现空间的圆极化辐射,通过同相叠加实现微波的轴向辐射。

2 模型设计

完整的扁波导螺旋阵列天线设计包括单元的设计、耦合探针的设计、一分二功分器的设计以及最终子阵馈电系统的设计。参考文献[8]给出了L波段螺旋天线单元的相关参数,参考文献[9]中给出了功分器的设计理论,本文对这两部分内容不再详细说明,重点介绍耦合探针以及馈电系统的设计。本文设计模型工作的中心频率为1.575GHz。

2.1 耦合探针

螺旋阵列天线馈电系统的设计要求各单元尽可能达到等幅输出,由于本次设计的子阵单元数目较多,且波导侧馈的形式使得微波能量在传输过程中单向衰减,造成子阵长边两端的微波能量分布差异很大,因此在子阵入口附近必须选择耦合能力较弱的探针,而在子阵末端则必须选择耦合能力强的探针。较早的C波段阵列模型介绍了电探针、磁探针等基本的探针结构[10],在之后的改进探索过程中又提出了加盘型探针、圆柱底座探针等改进的探针结构[11],综合分析本文模型中单元位置的特点及不同类型探针的优势,选择将圆柱底座探针应用于子阵末端,将加盘型探针应用于子阵入口附近,对磁探针进行一定的改进并应用于子阵中间的大部分单元。

参考文献[7]和[11]给出了圆柱底座探针与加盘型探针的结构及优势,本文重点阐述对磁探针的改进。较早的磁探针模型如图3(a)所示,通过伸入波导内部的同轴内导体与 “L”型导体形成的闭合环结构实现探针的磁耦合。由于本文设计的模型馈电波导高度较低,微波能量相对密集,上述磁探针无法完全满足降耦合需求和功率容量的指标,同时为了便于连接电机驱动单元旋转,改进的磁探针将同轴内导体直接延伸至扁波导的下底板,并在其两侧均设计了 “L”型导体结构,“L”型导体通过连接在内导体上的轴承固定。该探针不仅具有传统磁探针的特点,还通过增加磁耦合环面积的方式使得磁耦合量加倍,探针的降耦合能力得到明显增强,在探针后方距离d处,还配置了一立柱以减小探针反射,该探针结构如图3(b)所示,将其称之为双 “L”型探针。

在本次设计的结构中,由于靠近扁波导入口的三列单元所在位置场强集中,达到均匀馈电时双“L”型探针的侧臂长度很长,且由于位置靠近入口,将造成很大的反射,因此这部分单元选择使用加盘型探针,但在相同条件下,加盘型探针较双“L”型探针更易造成场强集中从而限制功率容量,因此加盘型探针并不适用于本阵列中的所有单元。

2.2 侧馈式扁波导馈电系统

紧凑型扁波导阵列天线的设计中,最为重要的就是子阵馈电系统的设计,侧馈的形式决定了子阵馈电系统中的能量具有左右对称的特点,在设计探针结构时可以充分利用对称性,从而减少一列边缘探针的设计任务。

图3 两种探针结构示意图Fig.3 Structure of two kinds of probes

阵列天线的单元间距对阵列的栅瓣及单元间的互耦均会产生影响:较小的间距会使得互耦较大,而较大的间距不利于抑制栅瓣,综合考虑,取辐射单元间距为100 mm,子阵封口尺寸为280 mm×2220 mm,同轴内外导体半径为5 mm和15.75 mm,根据单元所在位置微波能量分布的不同,磁探针的轴承高度及单个探针中 “L”型结构的数目有所不同,加盘型探针中加盘尺寸及圆柱底座探针中的尺寸也有所区别。子阵馈电系统的俯视图及单元标号如图4所示,将前述的三种探针应用于该馈电系统中,考虑到馈电系统内部传输的主要模式为矩形波导TE10模,电场具有轴对称性,因此中间一列的单元处微波能量较为集中,而两侧单元相对较弱。另外,根据波导自身传输特点,单元位置越靠近馈电入口,能量越集中。依照单元位置选定需要采用的探针形式,最终确定降耦合需求较大的端口3,6,9,11～37,39,42,45,48,51,54,57使用双 “L”型探针;2,4,5,7,8,10号端口使用加盘型探针;38,40,41,43,44,46,47,49,50,52,53,55,56,58号端口使用 “L”型探针;59,61,62,64,65,67号端口所在使用圆柱底座探针。优化后同轴内导体与其匹配的小立柱间的距离d=72 mm。

图4 子阵馈电系统俯视图Fig.4 The top view of subarray feed system

该子阵馈电系统的总输入口反射系数及各端口的耦合曲线如图5所示,由图5可以看出,该馈电系统在中心频率1.575 GHz处的反射系数为0.083,且在1.53～1.62 GHz的带宽范围内,反射系数小于0.2;中心频率的耦合不平衡度为1.33 dB,基本可以实现66个单元的等幅馈电,耦合曲线波动较小,但由于馈电系统内部探针数目较多,造成反射曲线的频带较窄。

图5 子阵馈电系统相关曲线Fig.5 Reflection curves and coupling curves of subarray feed system

3 阵列性能

将同轴-圆波导-两路矩形波导功分器与前文设计的子阵馈电系统模型连接,并在子阵的每个输出同轴上连接螺旋天线单元,就形成了132单元螺旋阵列天线。

采用CST微波工作室研究了该阵列天线的性能。图6和图7分别给出了阵列反射系数随频率的变化和中心频点处的方向图(以ϕ=90°为例),图8给出了阵列在中心频率下的极化图。

从模拟结果可以看出:在中心频点1.575 GHz处, 阵列的反射系数为0.1, 在1.56～1.62 GHz的频带范围内,天线反射系数基本小于0.2,在中心频率下子阵的增益为24.7 dB,轴比为0.88 dB,能够较好的实现微波的圆极化辐射。

图6 中心频率下阵列天线反射系数Fig.6 Reflection coefficiesst of array antenna in center frequency

图7 中心频率下阵列天线辐射方向图Fig.7 Directional diagram of array antenna in center frequency

图8 中心频率下阵列天线极化图Fig.8 Polarization diagram of array antenna in center frequency

由Kilpatrick准则[12]可得,真空状态下微波击穿场强为:

式中:f为频率,单位为MHz;E为该频率下的击穿场强,单位为MV/m。计算可得,1.575 GHz下的击穿场强为35 MV/m。

微波系统功率容量定义为:

图9为馈电系统典型位置及典型螺旋天线单元的场强分布示意图,由图可知,馈电系统的场强最大值为487 V/m,位于双 “L”型探针上,螺旋天线单元上的最大场强为419 V/m,将487 V/m带入式,得到天线系统功率容量达5.17 GW,适应高功率应用需求。由于馈电系统和天线单元上的场强差别不大,因此认为此时阵列天线系统的功率容量基本达到最高,优化空间不大。

图9 阵列各部分典型位置场强分布示意图Fig.9 Electric field strengths of some typical locations

4 结论

本文对磁探针进行了适当改进,使其具备了较大的耦合量调节范围,满足了场强集中处单元的降耦合需求,并综合使用了多种不同的探针结构,克服了紧凑型端馈式扁波导阵列天线馈电系统中出现的微波能量分布不均匀的问题,实现了各单元的等幅馈电,并以此为基础完成了132单元矩形阵列天线的整体设计。模拟得到了阵列的主要性能指标,结果表明该阵列在中心频率处可以实现较高的增益,同时较好地实现了圆极化辐射,且整个阵列天线系统具备较高的功率容量,验证了在一定条件下使用端馈的方式实现矩形高功率螺旋阵列天线紧凑化的可行性,但由于本文阵列天线内部探针结构相对比较复杂,因此若直接将该设计思路拓展到更高频段的模型时可能会出现加工困难及功率容量受限的问题,这些问题仍需要下一步深入探究。