帶有扼流槽結構的共形波導縫隙陣列天線研究

廖 勇,謝 平,于愛民,馬弘舸

(中國工程物理研究院應用電子學研究所,四川綿陽621900)

隨著高功率微波技術的發展,微波天線與載體共形成為重要的發展趨勢。其中,與圓柱共形的天線最為常見。KOSLOVER[1]設計了一款與圓柱表面共形的波導縫隙陣列天線,口徑效率達到55 %。共形天線的輻射特性受到共形曲面的顯著影響,與平面陣列天線相比,一般共形天線口徑效率明顯較低[2]。波導縫隙陣列天線增益會受到陣列波導間互耦的影響而降低,通過增大波導間距可降低互耦影響[1,3],但波導間距離增大不利于天線小型化和緊湊化設計,當波導間距超過一個波長時會引入柵瓣[2]。通過波導間加載人工超材料也可降低互耦影響[4],但會明顯增加陣列天線的厚度。文獻[5]提出在波導間采用扼流槽結構抑制波導間互耦并提升陣列天線輻射特性,與傳統四分之一波長深度扼流槽結構不同,優化后的扼流槽深度明顯小于四分之一波長,文獻[5]分析認為優化后的扼流槽參與了微波輻射,起到了調制陣列表面波的作用。

本文設計了與圓柱共形的L波段寬邊縱縫波導縫隙陣列天線,天線波導間設計了扼流槽結構,抑制了波導間互耦,提高了天線增益。

1 共形波導縫隙陣列天線結構

圖1為L波段與圓柱面共形的波導縫隙陣列天線示意圖。

圖1 L波段與圓柱面共形的波導縫隙陣列天線

由圖1可見：該天線由6根基于扇形波導的共形波導寬邊縱縫駐波陣組成,每根輻射扇形波導有9個輻射縫隙;對扇形波導從左到右分別編號為1#,2#,3#,4#,5#,6#,其中,1#,2#,5#,6#為共形陣列天線兩側邊上波導,3#,4#為共形陣列天線中間波導。天線通過帶介質天線窗的波導縫隙陣實現微波輻射。共形波導縫隙陣列天線口徑的長為1 258 mm,寬為727 mm,共形半徑為380 mm。共形陣列天線的工作頻率為1.575 GHz。

2 扼流槽對共形波導縫隙陣列天線的影響

扇形陣列波導兩側的扼流槽結構,可改善天線輻射性能[3-12]。圖2為帶扼流槽結構的共形波導縫隙陣到天線截面示意圖。為減小扼流槽結構尺寸,在扼流槽中填充了介電常數為9.21的陶瓷塊。

圖2 帶扼流槽結構的共形波導縫隙陣列天線截面示意圖

共形陣列天線兩側邊上波導互耦系數S12和中間波導互耦系數S34隨頻率f的變化關系如圖3所示。

(a)S12vs. f

(b)S34vs. f

由圖3可見：工作頻率為1.575 GHz時,增加扼流槽結構后,共形陣列邊上波導間互耦系數S12由-17.2 dB減小到-20.8 dB,減小了3.6 dB,共形陣列中間波導間互耦系數S34由-24.9 dB減小到-29.3 dB,減小了4.4 dB,表明工作頻率為1.575 GHz時,扼流槽結構對邊上和中間波導互耦系數均有大于3 dB的改善作用。由圖3還可見,無扼流處結構時,在工作頻率1.575 GHz處,共形陣列天線兩側邊上波導間互耦系數比中間波導強7.7 dB。

共形波導陣列天線增益隨扼流槽結構深度及寬度的變化關系如圖4所示。由圖4可見,當扼流槽寬度為20 mm,深度為14 mm時(0.22倍介質波長),陣列天線增益達到峰值23.3 dB;當扼流槽深度為14 mm,扼流槽寬度大于12.5 mm時,陣列天線增益大于23.2 dB,且增益曲線趨于平緩。

(a)Gain vs. depth of the choke groove (width=20 mm)

(b)Gain vs. width of the choke groove(depth=14 mm)

共形陣列天線兩側邊上波導間互耦系數S12及中間波導互耦系數S34隨扼流槽深度的變化關系如圖5所示。由圖5可見：當深度為14 mm時,共形陣列邊上相鄰波導單元間互耦系數達最小值-21 dB,此扼流槽深度也對應天線增益最大點;當深度為15 mm時,共形陣列中間相鄰波導間互耦系數達到最小值-32.5 dB。由于共形陣列邊上相鄰波導間互耦系數比中間相鄰波導大一些,因此扼流槽深度取14 mm,此深度并不是傳統的0.25倍介質波長扼流槽的深度。

(a)S12

(b)S34

饋入功率為6 W時,有扼流槽結構和無扼流槽結構的共形波導縫隙陣列天線橫截面電場強度分布如圖6所示。

(a)With the choke groove

(b)Without the choke groove

由圖6可見,共形陣列天線的扼流槽結構與波導縫隙一樣具有輻射微波的作用,這是具有扼流槽結構的共形波導縫隙陣列天線增益提高的主要原因。

陣列天線的功率容量主要由介質窗表面電場強度決定[9]。取介質窗表面空氣擊穿電場強度EAB為30 kV·cm-1[9],圖6所示介質窗表面大氣側最大電場強度Eant約為214 V·m-1,則陣列功率容量Pr可表示為

(1)

共形波導縫隙陣列天線橫截面在陣面縫隙附近的電場強度分布如圖7所示。由圖7可見：共形陣列天線縫隙附近電場在陣列兩側波導的波動較為強烈;具有扼流槽結構的共形陣列兩側波導的電場強度明顯低于無扼流槽結構的共形陣列天線,最大相差約20%。這進一步說明了扼流槽結構能有效抑制共形陣列天線兩側波導間的互耦影響。

圖7 共形波導縫隙陣列天線橫截面在陣面縫隙附近的電場分布

圖8為優化后的共形波導縫隙陣列天線H面和E面方向圖。由圖8可見：無扼流槽結構的天線最大增益為21.9 dB,帶扼流槽結構設計的天線最大增益為23.3 dB,提高了1.4 dB;共形波導縫隙陣列天線口徑輻射效率由48.9 %提高到67.5 %,提升了18.6 %;共形波導縫隙陣列天線有扼流槽結構時,H面輻射主瓣3 dB寬度為 7.0°,E面為12.6°,無扼流槽結構時,H面輻射主瓣3 dB寬度為7.0°,E面為14.0°,表明,扼流槽結構對共形陣列天線E面方向圖主瓣有一定的壓縮作用,提高了天線輻射的方向性(提高0.46 dB)。此外,由圖8(b)還可見,與無扼流槽結構天線相比,帶扼流槽結構的共形陣列天線E面方向圖第1個零點電平提高了約11 dB,表明扼流槽結構增強了陣列兩側波導間輻射。除展寬共形陣列天線的有效陣面寬度外,扼流槽結構主要通過增加輻射單元和抑制表面波傳播來提高輻射效率,最終達到提高天線增益的目的。

(a)H-plane

(b)E-plane

3 共形波導縫隙陣列天線仿真結果

完成仿真優化后的共形波導縫隙陣列天線有源反射系數隨頻率的變化關系如圖9所示。

圖9 共形波導縫隙陣列天線有源反射系數

由圖9可見：頻率為1.55～1.60 GHz時共形波導縫隙陣有源反射系數小于-10 dB。在工作頻率為1.575 GHz時,共形波導縫隙陣列天線有源反射系數小于-24 dB。圖10為共形波導縫隙陣列天線仿真3D方向圖。由圖10可見,天線最大增益為23.3 dB。天線口徑輻射效率約為67.5%。

圖10 共形波導縫隙陣列天線仿真3D方向圖

4 共形波導縫隙陣列天線實驗結果

圖11為加工完成的帶有功分網絡的共形波導縫隙陣列天線實物圖。

圖11 共形波導縫隙陣列天線實物圖

在微波暗室采用近場測試系統對共形波導縫隙陣列天線輻射特性進行測試,工作頻率為1.575 GHz時,共形波導縫隙陣列天線H面和E面實測規一化方向圖如圖12所示。

(a)H-plane

(b)E-plane

由圖12可見：工作頻率為1.575 GHz時,H面和E面方向圖的3 dB主瓣寬度分別為12.28°和6.6°。共形陣列天線的增益(含功分網絡插損1.1 dB)達22.1 dB。與仿真結果相比,實測天線方向圖3 dB主瓣寬度要窄一些,分析原因可能是天線加工偏差造成的。

圖13為共形陣列天線進行高功率微波實驗時的輻射波形。由圖13可見,饋入共形天線的高功率微波功率為1.1 GW,實測微波中心頻率為1.575 GHz,輻射波形脈沖半高寬為57 ns。

圖13 共形波導縫隙陣列天線進行高功率微波實驗時的輻射波形

表1為共形波導縫隙陣列天線的性能。其中,尺寸指共形陣列天線的長度、共形半徑和口徑寬度。由表1可知,與文獻[1]相比,本文設計的共形波導陣列天線在共形半徑及整體尺寸較小的情況下,口徑效率提高了11%,原因是扼流槽結構抑制了陣列表面波,參與了微波輻射。

表1 共形波導縫隙陣列天線的性能

5 結論

本文對共形波導縫隙陣列天線進行了研究,設計了一款與圓柱面共形的L波段寬邊縱縫波導縫隙陣列天線,由6 根扇形波導組成。采用扼流槽結構有效抑制了共形波導縫隙陣列兩側波導間的互耦影響,同時扼流槽結構參與了微波輻射。測試結果表明,共形陣列天線的增益達22.1 dB(含功分網絡損耗1.1 dB),天線口徑輻射效率達66.0 %,功率容量達到1.1 GW。研究成果可為高功率微波共形陣列天線設計提供參考。