高增益空間功率合成天線的研究分析

1 引言
　　在通信對(duì)抗領(lǐng)域，要獲得很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。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)?？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。
　　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功率合成的原理示意圖和偏饋拋物柱面天線結(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Y0=5o的部分。拋物柱面夾角為Y=55o，最大張角為Y0+Y=60o，喇叭的照射角度為Ym=32.5o，Ym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(mén)。拋物柱面的高度為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H0＝0.625l的高度，拋物柱面的有效口徑尺寸為T(mén)*H。拋物面的焦距為F=12.5l。
　　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f0歸一化，所有尺寸為電尺寸，其中為f0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TE10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。