一种新型宽频带双极化馈源的设计

 摘  要：高效率的宽频带馈源可以大大减少馈源数量，减小天线口径，在天线工程中应用很广。采用正方形振子形式设计的新型宽频带双极化馈源，与传统馈源相比，该馈源具有频带宽、体积小以及波束等化好等优点。首先给出了这种馈源的几何结构和腔体理论分析，并对这种馈源反射腔的几种不同结构形式进行了对比分析，分析结果表明采用圆形反射腔形式是最佳选择。对比仿真分析和理论计算结果，两者非常吻合，验证了理论分析的正确性。

　　0   引言

　　由于天文观测的特殊需求，迫切需要高性能、小型化的宽频带馈源，以实现馈源阵的紧密排列，并保证系统具有优良的信噪比性能。对于具有反射腔的振子馈源，增加振子的宽度能够达到展宽频带的目的。通过选择形状不同于常规振子的新型振子，根据频率及频带宽带要求优化振子尺寸及间距等参数，选择最优的馈电方式，最终设计出满足宽带要求的高性能馈源。

　　1   新型馈源提出

　　根据某工程需要，观测频率初步设定为0. 5 ~1. 2 GHz，天线方案选为柱形抛物面天线，馈源为半波长间距的线阵，柱形抛物面的焦径比f / D 选为0. 4。传统馈源由于其频带窄、尺寸大且波束等化不好等因素不能满足设计要求，基于此提出了一种新型宽频带馈源，通过将振子形状设计为正方形以最大限度的展宽频带，其尺寸约为0. 33 λc (λc 为中心频率所对应的波长)，该设计能满足宽频带、小型化的需求。对2 个振子分别交叉馈电能满足双极化的要求，该馈源的结构示意图如图1 所示。

图1  新型馈源结构外形图

　　2   理论分析

　　腔体中的场是波导模Fourier 变换的和，腔体敞开端的绕射和耦合效应可忽略不计。在开口腔体辐射器的理论分析中，波导激励理论用来计算由腔体激励器激励的标准模。接着由孔径场计算辐射场。

　　第q 个模的孔径场Eθq和Hφq产生的总辐射场( Erq ) 由下式得到：

　　式中：

　　式中：

　　式中，是包围电流源Ja的体积分，是腔体截面(CS) 上的面积分。

　　式中，ζ0 和Zq 分别是自由空间和第q 个波导模的波阻抗，第q 个TE 或TM 波导模的特征值是kcq。

　　3   反射板结构和主要参数确定

　　不同反射板结构对馈源辐射性能影响很大，对反射板加扼流槽结构、反射板加正方形腔结构以及圆形反射腔结构等3 种不同结构的辐射性能进行了比较，并针对圆形反射腔结构分析了不同参数对辐射性能的影响。

　　3.1   不同反射板结构辐射性能比较

　　分别对3 种不同结构的反射板辐射性能进行了分析和比较。

　　( 1) 反射板加扼流槽结构。

　　在反射板边缘加直线状扼流槽，此种结构仿真所得的结果与分析计算结果相近，对频带内的方向图进行了计算，中心频点的辐射方向图如图2 所示。

　　从图2 可以看出在中心频点得到的方向图E、H面等化效果不好,H 面10 dB 波束宽度太宽，作为馈源使用漏失也比较严重。

图2  反射板加扼流槽时的方向图

　　( 2) 反射板加正方形腔结构。

　　在反射板边缘加正方形腔，此种结构仿真所得的结果与分析计算结果相近，对频带内的方向图进行了计算，在中心频点的结果如图3 所示。

图3  反射板加正方形腔时的方向图

　　图中可以看出在中心频点得到的方向图E、H面等化效果不好，H 面10 dB波束宽度太宽，作为馈源使用漏失也比较严重。

　　( 3) 圆形反射腔结构。

　　反射板采用圆形反射腔形式，通过仿真得出的方向图结果和计算分析得出的结果吻合较好，在中心频点的结果如图4 所示。

图4  圆形反射腔时的方向图

　　根据上述结果，图4中的圆形反射腔形式较前2 种有较好的方向图等化特性，得到的仿真结果也和实际要求结果相近。

　　3 2   不同参数对辐射特性的影响

　　根据上面得到的结论，对反射板采用圆形反射腔时的情况进行了深入分析。

　　( 1) 反射腔半径的影响。

　　对反射腔半径的情况进行了仿真分析，部分结果如表1 所示。

表1  不同腔半径的影响

　　从表1 数据可以看出，腔半径为130 mm 时部分频率点10 dB 波束宽度太宽，腔半径为140 mm 时与理想结果相近，选为150 mm 时，部分频点10 dB 波束宽度太窄，综合上述分析，最终选择腔半径为140 mm。

　　( 2) 反射腔高度的影响。

　　对反射腔高度选为60 mm、70 mm 和75 mm 的情况进行了仿真分析，部分仿真结果如表2 所示。

表2  不同腔高度的影响

　　从表2 可以看出，腔高度选为60 mm 时，其E面、H 面不等化问题严重，选为70 mm 得到的结果相对会好一些，并且腔高度选的比振子高度越低，其电压驻波比调整余量越大，因此从工程实际和仿真结果2 个方面考虑，选择腔高度为70 mm。

　　还通过仿真分析了振子间距对辐射特性的影响，振子间距对其影响不大，其影响主要体现在对电压驻波比的影响上，当振子间距选为10 mm 时有较好的驻波比。

　　4   仿真和理论计算对比

　　综合上述不同参数对辐射特性的影响，选取振子边长为55. 65mm,振子与反射腔间距为1/ 4  c =86. 6 mm，腔半径为140 mm，腔高度为70 mm，振子间距为10 mm,通过仿真分析和理论计算得到的中心频率的方向图如图5 所示。

　　从图5 可以看出理论计算得到的结果和仿真分析吻合得很好，验证了理论分析的正确性。

图5  理论和仿真辐射方向图

　　5   结束语

　　宽频带馈源是天线工程设计中经常遇到的问题，通过将反射腔振子馈源的振子设计成正方形形状可以最大限度的展宽频带，可实现高性能的宽频带双极化馈源。该馈源在2. 4 个倍频程内具有较好的性能指标，可用于射电、天文、通信和侦察等系统的反射面天线设计中，是一种性能优良的宽频带馈源。