摘 要：高效率的寬頻帶饋源可以大大減少饋源數(shù)量，減小天線口徑，在天線工程中應(yīng)用很廣。采用正方形振子形式設(shè)計的新型寬頻帶雙極化饋源，與傳統(tǒng)饋源相比，該饋源具有頻帶寬、體積小以及波束等化好等優(yōu)點。首先給出了這種饋源的幾何結(jié)構(gòu)和腔體理論分析，并對這種饋源反射腔的幾種不同結(jié)構(gòu)形式進行了對比分析，分析結(jié)果表明采用圓形反射腔形式是最佳選擇。對比仿真分析和理論計算結(jié)果，兩者非常吻合，驗證了理論分析的正確性。
0 引言
由于天文觀測的特殊需求，迫切需要高性能、小型化的寬頻帶饋源，以實現(xiàn)饋源陣的緊密排列，并保證系統(tǒng)具有優(yōu)良的信噪比性能。對于具有反射腔的振子饋源，增加振子的寬度能夠達到展寬頻帶的目的。通過選擇形狀不同于常規(guī)振子的新型振子，根據(jù)頻率及頻帶寬帶要求優(yōu)化振子尺寸及間距等參數(shù)，選擇最優(yōu)的饋電方式，最終設(shè)計出滿足寬帶要求的高性能饋源。
1 新型饋源提出
根據(jù)某工程需要，觀測頻率初步設(shè)定為0. 5 ~1. 2 GHz，天線方案選為柱形拋物面天線，饋源為半波長間距的線陣，柱形拋物面的焦徑比f / D 選為0. 4。傳統(tǒng)饋源由于其頻帶窄、尺寸大且波束等化不好等因素不能滿足設(shè)計要求，基于此提出了一種新型寬頻帶饋源，通過將振子形狀設(shè)計為正方形以最大限度的展寬頻帶，其尺寸約為0. 33 λc (λc 為中心頻率所對應(yīng)的波長)，該設(shè)計能滿足寬頻帶、小型化的需求。對2 個振子分別交叉饋電能滿足雙極化的要求，該饋源的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1 所示。
圖1 新型饋源結(jié)構(gòu)外形圖
2 理論分析
腔體中的場是波導(dǎo)模Fourier 變換的和，腔體敞開端的繞射和耦合效應(yīng)可忽略不計。在開口腔體輻射器的理論分析中，波導(dǎo)激勵理論用來計算由腔體激勵器激勵的標準模。接著由孔徑場計算輻射場。
第q 個模的孔徑場Eθq和Hφq產(chǎn)生的總輻射場( Erq ) 由下式得到：
式中：
式中：
式中，是包圍電流源Ja的體積分，是腔體截面(CS) 上的面積分。
式中，ζ0 和Zq 分別是自由空間和第q 個波導(dǎo)模的波阻抗，第q 個TE 或TM 波導(dǎo)模的特征值是kcq。
3 反射板結(jié)構(gòu)和主要參數(shù)確定
不同反射板結(jié)構(gòu)對饋源輻射性能影響很大，對反射板加扼流槽結(jié)構(gòu)、反射板加正方形腔結(jié)構(gòu)以及圓形反射腔結(jié)構(gòu)等3 種不同結(jié)構(gòu)的輻射性能進行了比較，并針對圓形反射腔結(jié)構(gòu)分析了不同參數(shù)對輻射性能的影響。
3.1 不同反射板結(jié)構(gòu)輻射性能比較
分別對3 種不同結(jié)構(gòu)的反射板輻射性能進行了分析和比較。
( 1) 反射板加扼流槽結(jié)構(gòu)。
在反射板邊緣加直線狀扼流槽，此種結(jié)構(gòu)仿真所得的結(jié)果與分析計算結(jié)果相近，對頻帶內(nèi)的方向圖進行了計算，中心頻點的輻射方向圖如圖2 所示。
從圖2 可以看出在中心頻點得到的方向圖E、H面等化效果不好,H 面10 dB 波束寬度太寬，作為饋源使用漏失也比較嚴重。
圖2 反射板加扼流槽時的方向圖
( 2) 反射板加正方形腔結(jié)構(gòu)。
在反射板邊緣加正方形腔，此種結(jié)構(gòu)仿真所得的結(jié)果與分析計算結(jié)果相近，對頻帶內(nèi)的方向圖進行了計算，在中心頻點的結(jié)果如圖3 所示。
圖3 反射板加正方形腔時的方向圖
圖中可以看出在中心頻點得到的方向圖E、H面等化效果不好，H 面10 dB波束寬度太寬，作為饋源使用漏失也比較嚴重。
( 3) 圓形反射腔結(jié)構(gòu)。
反射板采用圓形反射腔形式，通過仿真得出的方向圖結(jié)果和計算分析得出的結(jié)果吻合較好，在中心頻點的結(jié)果如圖4 所示。
圖4 圓形反射腔時的方向圖
根據(jù)上述結(jié)果，圖4中的圓形反射腔形式較前2 種有較好的方向圖等化特性，得到的仿真結(jié)果也和實際要求結(jié)果相近。
3 2 不同參數(shù)對輻射特性的影響
根據(jù)上面得到的結(jié)論，對反射板采用圓形反射腔時的情況進行了深入分析。
( 1) 反射腔半徑的影響。
對反射腔半徑的情況進行了仿真分析，部分結(jié)果如表1 所示。
表1 不同腔半徑的影響
從表1 數(shù)據(jù)可以看出，腔半徑為130 mm 時部分頻率點10 dB 波束寬度太寬，腔半徑為140 mm 時與理想結(jié)果相近，選為150 mm 時，部分頻點10 dB 波束寬度太窄，綜合上述分析，最終選擇腔半徑為140 mm。
( 2) 反射腔高度的影響。
對反射腔高度選為60 mm、70 mm 和75 mm 的情況進行了仿真分析，部分仿真結(jié)果如表2 所示。
表2 不同腔高度的影響
從表2 可以看出，腔高度選為60 mm 時，其E面、H 面不等化問題嚴重，選為70 mm 得到的結(jié)果相對會好一些，并且腔高度選的比振子高度越低，其電壓駐波比調(diào)整余量越大，因此從工程實際和仿真結(jié)果2 個方面考慮，選擇腔高度為70 mm。
還通過仿真分析了振子間距對輻射特性的影響，振子間距對其影響不大，其影響主要體現(xiàn)在對電壓駐波比的影響上，當振子間距選為10 mm 時有較好的駐波比。
4 仿真和理論計算對比
綜合上述不同參數(shù)對輻射特性的影響，選取振子邊長為55. 65mm,振子與反射腔間距為1/ 4 c =86. 6 mm，腔半徑為140 mm，腔高度為70 mm，振子間距為10 mm,通過仿真分析和理論計算得到的中心頻率的方向圖如圖5 所示。
從圖5 可以看出理論計算得到的結(jié)果和仿真分析吻合得很好，驗證了理論分析的正確性。
圖5 理論和仿真輻射方向圖
5 結(jié)束語
寬頻帶饋源是天線工程設(shè)計中經(jīng)常遇到的問題，通過將反射腔振子饋源的振子設(shè)計成正方形形狀可以最大限度的展寬頻帶，可實現(xiàn)高性能的寬頻帶雙極化饋源。該饋源在2. 4 個倍頻程內(nèi)具有較好的性能指標，可用于射電、天文、通信和偵察等系統(tǒng)的反射面天線設(shè)計中，是一種性能優(yōu)良的寬頻帶饋源。
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