高功率線極化徑向線陣列天線研究.pdf

1、對(duì)于新興的高功率微波領(lǐng)域，高功率微波輻射技術(shù)的發(fā)展成為該領(lǐng)域發(fā)展的一個(gè)重要部分。由于高功率微波的一些特殊性質(zhì)，對(duì)高功率微波天線也提出了一些特殊的要求。
　　 從徑向線陣列天線的廣泛調(diào)研可知，早期的徑向線陣列天線多采用縫隙作為輻射單元，縫隙單元通過(guò)一定的排列組合可實(shí)現(xiàn)線極化或圓極化微波輻射，后期也有采用貼片微帶天線和短螺旋天線作為輻射單元，但由于這些天線中存在著慢波結(jié)構(gòu)或介質(zhì)，使其無(wú)法應(yīng)用于高功率微波領(lǐng)域。然而，隨著高功率微波天線

2、的發(fā)展，近些年來(lái)，一種新型的高功率徑向線螺旋陣列天線首次將徑向線陣列天線引入到高功率微波領(lǐng)域，探索了高功率微波領(lǐng)域中一種新的天線形式。該天線通過(guò)采用新型的耦合探針，避免了介質(zhì)的引入，為實(shí)現(xiàn)高功率徑向線陣列天線奠定了基礎(chǔ)，同時(shí)，這種天線自身具有體積小，效率高、功率容量大等特點(diǎn)，使其成為高功率微波天線發(fā)展的一個(gè)趨勢(shì)，但這種陣列形式只實(shí)現(xiàn)了高功率圓極化波的輻射，因而，實(shí)現(xiàn)高功率線極化微波輻射的徑向線陣列天線就成為另一個(gè)重要的研究?jī)?nèi)容。本文就以

3、此為著眼點(diǎn)，以徑向線饋電為基礎(chǔ)，首次提出高功率線極化徑向線陣列天線，并對(duì)其進(jìn)行探索和研究。
　　 新型耦合探針的應(yīng)用要求單元天線為同軸饋電，因此，同軸饋電的線極化單元天線成為首要研究的內(nèi)容。首先，文中根據(jù)徑向線饋電系統(tǒng)及整體天線特性對(duì)線極化單元提出了一系列要求；其次，依照要求對(duì)相關(guān)的線極化天線進(jìn)行了探索研究，主要包括兩方面：一方面，一些基本的包括電偶極子、環(huán)天線等形式最簡(jiǎn)單的線極化天線，以及在這些形式上探索、思考、拓展得到的新型

4、單元天線形式；另一方面，探索圓極化合成線極化波的天線形式。最后，通過(guò)對(duì)比，選擇各項(xiàng)特性均滿足要求的水平單圓環(huán)線極化天線作為輻射單元。
　　 為了實(shí)現(xiàn)陣列天線軸向最大輻射，以及滿足線極化單元激勵(lì)要求，單圈圓環(huán)柵格布局徑向線陣列天線成為首選且相對(duì)簡(jiǎn)單的形式，該布局中探針耦合處徑向位置相同，耦合波滿足等幅同相。但由于該布局中單元數(shù)目有限，天線增益相對(duì)較低，為了提高增益，需要增加單元數(shù)目，擴(kuò)大圓環(huán)圈數(shù)，簡(jiǎn)單的單圈圓環(huán)柵格布局就不再滿足要

5、求。
　　 然而，采用多圈圓環(huán)柵格布局實(shí)現(xiàn)高功率線極化徑向線陣列天線，其中存在著一個(gè)關(guān)鍵的問(wèn)題：即：一方面，只有在徑向線內(nèi)微波路徑上間隔為一個(gè)波導(dǎo)波長(zhǎng)的徑向位置處，耦合波的相位差為±2π(實(shí)際上是相同的)，在這些位置上通過(guò)調(diào)節(jié)耦合波幅度使達(dá)到一致，激勵(lì)相同的單元，就可實(shí)現(xiàn)陣列天線最大線極化輻射合成場(chǎng)強(qiáng)；而另一方面，又由平面陣列天線的特性可知，當(dāng)陣列間距為一個(gè)波導(dǎo)波長(zhǎng)時(shí)，將在可見(jiàn)空間內(nèi)可能不止出現(xiàn)一個(gè)柵瓣，為了抑制柵瓣，必須在一定

6、的范圍內(nèi)減小單元間距，這必然使得耦合口處存在著一定的相位差(不為±2π)，激勵(lì)相同的輻射單元就不能實(shí)現(xiàn)等幅同相激勵(lì)。這兩方面之間的矛盾即為問(wèn)題的所在，因此，為了提高陣列天線的增益，則必須解決這一問(wèn)題。
　　 經(jīng)過(guò)分析，針對(duì)這一關(guān)鍵問(wèn)題提出兩種解決方案，方案一：徑向線串聯(lián)饋電，該方案中仍采用圓環(huán)柵格布局，但饋電徑向線發(fā)生了一定的彎曲，以增加徑向線內(nèi)部的波程，合理的調(diào)節(jié)尺寸后可以使每圈相位差2π，達(dá)到等幅同相激勵(lì)線極化單元天線；方案

7、二：徑向線并聯(lián)饋電，該方案通過(guò)改變陣列天線柵格形式、利用多層饋電組合的方式，使饋電系統(tǒng)中每一條微波路徑均勻相同，達(dá)到等幅同相激勵(lì)線極化單元。
　　 鑒于方案一中彎曲徑向線復(fù)雜的微波模式特性以及耦合探針的影響，使得整個(gè)方案的分析相對(duì)較為網(wǎng)難，文中具體地對(duì)方案二進(jìn)行了研究，配合水平單圓環(huán)單元天線，共同形成了并聯(lián)饋電高功率線極化徑向線陣列天線。同時(shí)，文中對(duì)該天線相關(guān)的基礎(chǔ)理論進(jìn)行了總結(jié)和完善，主要包括：分析了陣列布局與天線性能的關(guān)系，

8、由此獲得陣列天線設(shè)計(jì)的參數(shù)；了解了徑向線中的微波高頻特性；分析研究了同軸到徑向線轉(zhuǎn)換接頭中高階模對(duì)S11參數(shù)的影響，加深了對(duì)這種帶有調(diào)配結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換接頭的認(rèn)識(shí)，為以后整個(gè)陣列天線的模式分析提供基礎(chǔ)。
　　 通過(guò)對(duì)初級(jí)功分器、子陣功分器、單元天線等關(guān)鍵環(huán)節(jié)的合理設(shè)計(jì)，對(duì)L波段高功率線極化徑向線陣列天線進(jìn)行了仿真，仿真結(jié)果表明：在中心頻率1.57GHz下，天線增益為19.97dBi，口徑效率為50.5％，軸向軸比為-52.06dB；在

9、1.37GHz-1.77GHz的頻率范圍內(nèi)，增益大于18.64dBi，口徑效率大于37.2％，軸向軸比小于-46.45dB；在1.53GHz-1.76GHz的頻率范圍內(nèi)，反射系數(shù)小于0.2(對(duì)應(yīng)駐波比為1.5)，初步證明了該天線實(shí)現(xiàn)的可行性。但其反射較大，口徑效率較低，以及功率容量等問(wèn)題，第5章就針對(duì)性地對(duì)其進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，仿真結(jié)果表明：在中心頻率1.57GHz下，天線增益為18.8dBi，口徑效率為85.1％，軸向軸比為-40.07d

10、B；在1.37GHz-1.77GHz的頻率范圍內(nèi)，增益大于17.58dBi，口徑效率大于64.26％，軸向軸比小于-40.07dB；在1.17GHz-1.68GHz的頻率范圍內(nèi)，反射系數(shù)小于0.2(對(duì)應(yīng)駐波比為1.5)；功率容量達(dá)到1GW。
　　 最后，在優(yōu)化結(jié)果的基礎(chǔ)上對(duì)該天線進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：中心頻率下，陣列天線的增益為17.65dBi，口徑效率為58.6％，駐波系數(shù)為1.19；在1.47-1.77GHz的范圍內(nèi)