高功率線極化徑向線陣列天線研究.pdf

1、對于新興的高功率微波領域，高功率微波輻射技術(shù)的發(fā)展成為該領域發(fā)展的一個重要部分。由于高功率微波的一些特殊性質(zhì)，對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，縫隙單元通過一定的排列組合可實現(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)，使其無法應用于高功率微波領域。然而，隨著高功率微波天線

2、的發(fā)展，近些年來，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域，探索了高功率微波領域中一種新的天線形式。該天線通過采用新型的耦合探針，避免了介質(zhì)的引入，為實現(xiàn)高功率徑向線陣列天線奠定了基礎，同時，這種天線自身具有體積小，效率高、功率容量大等特點，使其成為高功率微波天線發(fā)展的一個趨勢，但這種陣列形式只實現(xiàn)了高功率圓極化波的輻射，因而，實現(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重要的研究內(nèi)容。本文就以

3、此為著眼點，以徑向線饋電為基礎，首次提出高功率線極化徑向線陣列天線，并對其進行探索和研究。
　　 新型耦合探針的應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)及整體天線特性對線極化單元提出了一系列要求；其次，依照要求對相關(guān)的線極化天線進行了探索研究，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，通過對比，選擇各項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。
　　 為了實現(xiàn)陣列天線軸向最大輻射，以及滿足線極化單元激勵要求，單圈圓環(huán)柵格布局徑向線陣列天線成為首選且相對簡單的形式，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，天線增益相對較低，為了提高增益，需要增加單元數(shù)目，擴大圓環(huán)圈數(shù)，簡單的單圈圓環(huán)柵格布局就不再滿足要

5、求。
　　 然而，采用多圈圓環(huán)柵格布局實現(xiàn)高功率線極化徑向線陣列天線，其中存在著一個關(guān)鍵的問題：即：一方面，只有在徑向線內(nèi)微波路徑上間隔為一個波導波長的徑向位置處，耦合波的相位差為±2π(實際上是相同的)，在這些位置上通過調(diào)節(jié)耦合波幅度使達到一致，激勵相同的單元，就可實現(xiàn)陣列天線最大線極化輻射合成場強；而另一方面，又由平面陣列天線的特性可知，當陣列間距為一個波導波長時，將在可見空間內(nèi)可能不止出現(xiàn)一個柵瓣，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)，激勵相同的輻射單元就不能實現(xiàn)等幅同相激勵。這兩方面之間的矛盾即為問題的所在，因此，為了提高陣列天線的增益，則必須解決這一問題。
　　 經(jīng)過分析，針對這一關(guān)鍵問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，達到等幅同相激勵線極化單元天線；方案

7、二：徑向線并聯(lián)饋電，該方案通過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，達到等幅同相激勵線極化單元。
　　 鑒于方案一中彎曲徑向線復雜的微波模式特性以及耦合探針的影響，使得整個方案的分析相對較為網(wǎng)難，文中具體地對方案二進行了研究，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，文中對該天線相關(guān)的基礎理論進行了總結(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計的參數(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S11參數(shù)的影響，加深了對這種帶有調(diào)配結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換接頭的認識，為以后整個陣列天線的模式分析提供基礎。
　　 通過對初級功分器、子陣功分器、單元天線等關(guān)鍵環(huán)節(jié)的合理設計，對L波段高功率線極化徑向線陣列天線進行了仿真，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(對應駐波比為1.5)，初步證明了該天線實現(xiàn)的可行性。但其反射較大，口徑效率較低，以及功率容量等問題，第5章就針對性地對其進行了優(yōu)化設計，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(對應駐波比為1.5)；功率容量達到1GW。
　　 最后，在優(yōu)化結(jié)果的基礎上對該天線進行了實驗驗證，實驗結(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)