矩形徑向線螺旋陣列天線(子陣)研究.pdf

1、傳統(tǒng)的天線技術(shù)已經(jīng)具備相當(dāng)雄厚的理論和工程基礎(chǔ)，但是在新興的高功率微波研究領(lǐng)域，電磁波具有功率高、輸出模式為旋轉(zhuǎn)軸對稱模等特點(diǎn)，因此對高功率微波天線提出了新的要求。為此，國內(nèi)外進(jìn)行了許多研究工作，提出了模式變換器接輻射喇叭、Vlasov天線、模式轉(zhuǎn)換天線以及徑向線陣列天線等高功率微波天線型式。上述天線各有特點(diǎn)，經(jīng)分析比較，我們認(rèn)為徑向線陣列天線應(yīng)用于高功率微波領(lǐng)域有其獨(dú)特的優(yōu)勢，可以實(shí)現(xiàn)天線的高功率容量、高效率、小型化和圓極化輻射，但由

2、于耦合探針的調(diào)節(jié)范圍有限而無法實(shí)現(xiàn)高增益。為此，本文提出組合式高功率高增益徑向線螺旋陣列天線的設(shè)計(jì)思想，然后從該思想出發(fā)，針對其核心部分——矩形子陣，進(jìn)行了系統(tǒng)的理論、模擬和實(shí)驗(yàn)研究，通過研究驗(yàn)證了該矩形子陣設(shè)計(jì)的可行性，從而拓展了高功率陣列天線的應(yīng)用。
　　 高功率高增益矩形徑向線螺旋陣列天線的設(shè)計(jì)思想是以組合式矩形子陣為核心，子陣采用徑向線為饋電波導(dǎo)，短螺旋天線為輻射單元，通過耦合探針實(shí)現(xiàn)從徑向線到單元天線的饋電；輻射單元按

3、照正方形柵格排列在徑向線頂板上，通過調(diào)節(jié)探針的結(jié)構(gòu)尺寸和旋轉(zhuǎn)單元天線實(shí)現(xiàn)單元等幅同相激勵(lì)；將徑向線外沿封口為正方形，通過等幅多路功分網(wǎng)絡(luò)可以組合為更大的矩形陣，以達(dá)到提高增益的目的。
　　 基于上述思想，對矩形徑向線螺旋子陣相關(guān)的基礎(chǔ)理論進(jìn)行了系統(tǒng)的總結(jié)和完善。主要包括：分析了陣列布局與天線性能的關(guān)系，由此獲得子陣設(shè)計(jì)的輪廓參數(shù)(包括等幅同相激勵(lì)和單元間距的選取范圍)；分析了徑向線內(nèi)微波模式，給出了完整的單模傳輸條件，由此獲得矩

4、形子陣的設(shè)計(jì)原則(包括正方形柵格布局和饋入同軸的尺寸)；采用三短路面模式匹配技術(shù)(TPMMT)計(jì)算了探針的散射矩陣，加深了對探針耦合機(jī)理的認(rèn)識，為探針的選取提供依據(jù)。
　　 通過對同軸-徑向線轉(zhuǎn)換器、短螺旋單元天線和耦合探針等關(guān)鍵環(huán)節(jié)的合理優(yōu)化，對4單元矩形子陣和4路等幅徑向線功分器的模型進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，以此為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)了組合式16單元矩形子陣。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該天線在3.8～4.2 GHz的頻帶范圍內(nèi)，軸向增益大于17.5 dB，口

5、徑效率大于82％，初步驗(yàn)證了矩形徑向線螺旋子陣的可行性；但其僅在3.75～3.95 GHz的頻帶范圍內(nèi)駐波系數(shù)小于1.3，且輻射效率和軸向軸比惡化。經(jīng)分析，認(rèn)識到子陣各單元為同相饋電，軸向輻射時(shí)各螺旋天線相位位置相同(橫桿指向一致)，導(dǎo)致匹配不佳。
　　 針對上述不足，通過重新優(yōu)化子陣陣列布局和耦合探針，改進(jìn)設(shè)計(jì)了單層徑向線饋電的16單元矩形螺旋子陣，其結(jié)構(gòu)可以有效避免各路耦合輸出的同一性，改善饋電系統(tǒng)和單元天線的匹配性能。實(shí)驗(yàn)