高增益空间功率组成天线的研讨

　　1 导言

　　在通讯对立范畴，要取得很大的微波搅扰功率有两种办法：一是选用固态功率组成技能，但研发超大功率遭到高压电源和高功率器材等要素的约束;二是使用空间功率组成技能大幅度进步搅扰功率，这能打破功率器材的限制，得到更强壮的搅扰功率。使用多个天线单元发射频率相同、相位契合特定联系的电磁波，使之在空间传达过程中彼此叠加组成，从而在必定方向上构成电磁波束的技能称为空间功率组成技能。空间功率组成的各路功放并行作业，各路信号经过低耗波导传达到空中进行组成，具有较高的组成功率，因此得到了广泛的使用。

　　本文首要研讨在不添加喇叭路数(即不添加大功率微波功放的数量，这是控制系统本钱常常需求考虑的问题)情况下，怎么进一步进步喇叭线阵偏馈抛物柱面型空间功率组成天线的增益。在坚持喇叭路数不变的情况下，用角锥喇叭替代扇形喇叭作为馈源单元，线阵的长度增大，抛物柱面的口径一起增大，天线增益进步，但过大的阵元距离会使天线方向性图呈现栅瓣[4]，导致非搅扰方向呈现功率走漏。本文提出刻苦分喇叭作为线阵单元，使抛物柱面天线的口面场散布更均匀，进步了抛物柱面天线的口径使刻苦率，战胜角锥喇叭线阵馈源发生栅瓣的缺陷，进一步进步了空间功率组成天线的增益。

　　2 天线结构描绘

　　抛物柱面空间功率组成天线包含多个天线单元组成的线性馈源阵列和抛物柱面反射板。空间功率组成的原理示意图和偏馈抛物柱面天线结构如图1所示。微波信号经过分路器分红若干路顺次接上移相器和功放经过波导对喇叭单元进行馈电。为了完成水平极化，16路喇叭E面水平放置以D为阵元中心距离组成阵列放在抛物柱面的焦线方位作为馈源，微波信号由喇叭发射经过抛物柱面反射后在空中进行高功率组成。抛物柱面天线的俯视图和侧视图如图2所示，天线选用偏馈的办法，为了避免了抛物柱面反射波对馈源的影响，截去抛物柱面张角小于Y0=5o的部分。抛物柱面夹角为Y=55o，最大张角为Y0+Y=60o，喇叭的照耀视点为Ym=32.5o，Ym为抛物柱面夹角的平分线指向。抛物柱面的水平投影宽度为T。抛物柱面的高度为H，为了削减抛物柱面的后向辐射，H比喇叭阵列的笔直面总高度两头别离多留出H0=0.625l的高度，抛物柱面的有用口径尺度为T*H。抛物面的焦距为F=12.5l。

　　抛物柱面天线的水平面尖利波束经过抛物面反射办法构成，笔直面尖利波束经过喇叭组阵的办法构成。水平面和笔直面的波束宽度可独立调整，经过移相器对馈电相位的调整，组成波束可在笔直面进行电扫描。不失一般性，本文一切频率对作业的中心频率f0归一化，一切尺度为电尺度，其间

为f0对应空气中的波长。

　　本文比较了不同馈源的三副空间功率组成天线，天线一用E面扇形喇叭线阵作为馈源，天线二用角锥喇叭线阵作为馈源，天线三刻苦分喇叭线阵作为馈源，抛物柱面的焦距和张角坚持不变，抛物面高度H跟着喇叭的H面口径作相应的调整。

　　三副天线对应的馈源阵列示意图如图3所示。图3(a)为馈源一的H面示意图，图3(b)为其E面示意图，矩形波导口径尺度a=0.794

，b=0.397

，波导作业于TE10模，喇叭E面口面场为均匀散布，H面口面场为余弦散布。D1为馈源一的阵元中心距离，馈源一对应的抛物柱面天线高度H=16*D1+2*H0。C=1.979

为喇叭的长度，A1=a为喇叭的H面口径尺度，调整喇叭的E面口径尺度B1，当抛物柱面天线的增益最高时确认B1取值。天线二对应的馈源二的示意图和尺度如图3(c)，(d)所示，馈源二是打开馈源一中E面扇形喇叭的H面口径构成角锥喇叭，喇叭H面口径为A2，喇叭的单元距离加大为D2，此刻抛物柱面高度H=16*D2+2*H0。

　　调整喇叭的E面口径B2，当抛物柱面天线的增益最高时确认B2取值。天线三对应的馈源三的示意图和尺度如图3(e)，(f)所示，馈源三是延伸馈源二中的角锥喇叭的张口，并在口面中心加水平金属劈来改动喇叭口面场散布，构成功分喇叭，该喇叭的H面口径A3与馈源二中A2持平，阵元距离D3也与D2持平。喇叭的E面口径B3确认也以抛物柱面天线增益最高为规范。三副天线的首要参数比照如表I所示。

　　图1 偏馈抛物柱面天线结构示意图

　　(a)俯视图，(b)侧视图

　　图2 偏馈抛物柱面天线

　　(a)扇形喇叭线阵H面，(b)扇形喇叭E面

　　(c)角锥喇叭线阵H面，(d)角锥喇叭E面

　　(e)功分喇叭线阵H面，(f)功分喇叭E面

　　图3 喇叭馈源阵列的示意图

　　3 核算结果

　　本文用FEKO软件对上述的三副天线进行核算，喇叭馈源部分用矩量法求解，抛物柱面反射板部分用物理光学办法求解，在确保核算准确度的一起，节约核算机内存容量和核算时刻。三种馈源喇叭单元的驻波比如图4所示，扇形喇叭，角锥喇叭和功分喇叭的驻波比在作业频带内均小于1.3，三种喇叭的匹配功能杰出。三副天线的E面方向性图如图5所示，H面方向性图如图6所示，三副天线的增益、半功率角、口径使刻苦率如表II所示。

　　从增益来看，因为天线二打开了天线一的E面扇形喇叭的H面口径，天线二的H面口径较大，故天线二的增益比天线一的增益高出2dB，这证明了在相同的喇叭路数情况下，用角锥喇叭线阵作为馈源比扇形喇叭线阵作为馈源的抛物柱面天线具有更高的增益。从口面使刻苦率来看，因为天线二打开了扇形喇叭的H面口径，口面场变得愈加不均匀，天线二的口面使刻苦率下降到68.9%;尽管天线三打开了扇形喇叭的H面口径，但因为金属劈对口面场的分隔效果，口面场变得愈加均匀，天线的口面使刻苦率提升到77%，所以在相同的口径尺度情况下，天线三比天线二的增益高0.5dB。从波束掩盖规模来看，因为天线增益的进步，天线三和天线二的半功率角都比天线一的更窄。从方向性图来看，天线二的馈源阵元距离大于

，H面方向性图在43度方向呈现栅瓣，引起空间功率组成天线在非搅扰方向呈现大功率走漏，天线三选刻苦分喇叭线阵作为馈源，战胜了角锥喇叭线阵发生栅瓣的缺陷，空间功率组成无大功率走漏。

　　图4 喇叭单元的驻波比

　　图5 偏馈抛物柱面天线的E面方向性图

　　图6 偏馈抛物柱面天线的H面方向性图

表II 偏馈抛物柱面天线的首要功能比照

　　　4 定论

　　本文研讨了别离用E面扇形喇叭线阵，角锥喇叭线阵，功分喇叭线阵作为馈源的偏馈抛物柱面空间功率组成天线。在喇叭路数相同的情况下，角锥喇叭线阵作馈源的抛物柱面天线增益比E面扇形喇叭线阵作馈源的增益更高，但口径使刻苦率下降，波束掩盖规模变窄，当角锥喇叭线阵的阵元距离过大时天线的H面方向性图呈现栅瓣。与角锥喇叭线阵作馈源的抛物柱面天线比较，功分喇叭线阵作馈源的天线口面场散布更均匀，能克方向性图呈现栅瓣的缺陷，口径使刻苦率进步。在不添加喇叭路数(不添加大功率功放本钱)的情况下，完成更高的空间功率组成天线增益的较好办法是选刻苦分喇叭线阵作馈源。