0   引言

　　由于天文觀測(cè)的特殊需求，迫切需要高性能、小型化的寬頻帶饋源，以實(shí)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(duì)于具有反射腔的振子饋源，增加振子的寬度能夠達(dá)到展寬頻帶的目的。通過(guò)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(jì)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(cè)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(zhǎng)間距的線陣，柱形拋物面的焦徑比f(wàn) / 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(jì)要求，基于此提出了一種新型寬頻帶饋源，通過(guò)將振子形狀設(shè)計(jì)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(duì)應(yīng)的波長(zhǎng))，該設(shè)計(jì)能滿足寬頻帶、小型化的需求。對(duì)2 個(gè)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(chǎng)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(jì)。在開口腔體輻射器的理論分析中，波導(dǎo)激勵(lì)理論用來(lái)計(jì)算由腔體激勵(lì)器激勵(lì)的標(biāo)準(zhǔn)模。接著由孔徑場(chǎng)計(jì)算輻射場(chǎng)。

　　第q 個(gè)模的孔徑場(chǎng)Eθq和Hφq產(chǎn)生的總輻射場(chǎng)( 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(gè)波導(dǎo)模的波阻抗，第q 個(gè)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(duì)饋源輻射性能影響很大，對(duì)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(jìn)行了比較，并針對(duì)圓形反射腔結(jié)構(gòu)分析了不同參數(shù)對(duì)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(duì)3 種不同結(jié)構(gòu)的反射板輻射性能進(jìn)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(jì)算結(jié)果相近，對(duì)頻帶內(nèi)的方向圖進(jìn)行了計(jì)算，中心頻點(diǎn)的輻射方向圖如圖2 所示。

　　從圖2 可以看出在中心頻點(diǎn)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(yán)重。

圖2  反射板加扼流槽時(shí)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(jì)算結(jié)果相近，對(duì)頻帶內(nèi)的方向圖進(jìn)行了計(jì)算，在中心頻點(diǎn)的結(jié)果如圖3 所示。

圖3  反射板加正方形腔時(shí)的方向圖

　　圖中可以看出在中心頻點(diǎn)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(yán)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(guò)仿真得出的方向圖結(jié)果和計(jì)算分析得出的結(jié)果吻合較好，在中心頻點(diǎn)的結(jié)果如圖4 所示。

圖4  圓形反射腔時(shí)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(shí)際要求結(jié)果相近。

　　3 2   不同參數(shù)對(duì)輻射特性的影響

　　根據(jù)上面得到的結(jié)論，對(duì)反射板采用圓形反射腔時(shí)的情況進(jìn)行了深入分析。

　　( 1) 反射腔半徑的影響。

　　對(duì)反射腔半徑的情況進(jìn)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(shí)部分頻率點(diǎn)10 dB 波束寬度太寬，腔半徑為140 mm 時(shí)與理想結(jié)果相近，選為150 mm 時(shí)，部分頻點(diǎn)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(duì)反射腔高度選為60 mm、70 mm 和75 mm 的情況進(jìn)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(shí)，其E面、H 面不等化問(wèn)題嚴(yán)重，選為70 mm 得到的結(jié)果相對(duì)會(huì)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(shí)際和仿真結(jié)果2 個(gè)方面考慮，選擇腔高度為70 mm。

　　還通過(guò)仿真分析了振子間距對(duì)輻射特性的影響，振子間距對(duì)其影響不大，其影響主要體現(xiàn)在對(duì)電壓駐波比的影響上，當(dāng)振子間距選為10 mm 時(shí)有較好的駐波比。

　　4   仿真和理論計(jì)算對(duì)比

　　綜合上述不同參數(shù)對(duì)輻射特性的影響，選取振子邊長(zhǎng)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(guò)仿真分析和理論計(jì)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(jì)算得到的結(jié)果和仿真分析吻合得很好，驗(yàn)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(yǔ)

　　寬頻帶饋源是天線工程設(shè)計(jì)中經(jīng)常遇到的問(wèn)題，通過(guò)將反射腔振子饋源的振子設(shè)計(jì)成正方形形狀可以最大限度的展寬頻帶，可實(shí)現(xiàn)高性能的寬頻帶雙極化饋源。該饋源在2. 4 個(gè)倍頻程內(nèi)具有較好的性能指標(biāo)，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(jì)中，是一種性能優(yōu)良的寬頻帶饋源。