1、引言

在通信對(duì)抗領(lǐng)域，要獲得很大的微波干擾功率有兩種方法：一是采用固態(tài)功率合成技術(shù)，但研制超大功率受到高壓電源和高功率器件等因素的限制;二是利用空間功率合成技術(shù)大幅度提高干擾功率，這能突破功率器件的制約，得到更強(qiáng)大的干擾功率。利用多個(gè)天線(xiàn)單元發(fā)射頻率相同、相位符合特定關(guān)系的電磁波，使之在空間傳播過(guò)程中相互疊加合成，從而在一定方向上形成電磁波束的技術(shù)稱(chēng)為空間功率合成技術(shù)。空間功率合成的各路功放并行工作，各路信號(hào)通過(guò)低耗波導(dǎo)傳播到空中進(jìn)行合成，具有較高的合成效率，因而得到了廣泛的應(yīng)用。

本文主要研究在不增加喇叭路數(shù)(即不增加大功率微波功放的數(shù)量，這是控制系統(tǒng)成本常常需要考慮的問(wèn)題)情況下，如何進(jìn)一步提高喇叭線(xiàn)陣偏饋拋物柱面型空間功率合成天線(xiàn)的增益。在保持喇叭路數(shù)不變的情況下，用角錐喇叭代替扇形喇叭作為饋源單元，線(xiàn)陣的長(zhǎng)度增大，拋物柱面的口徑同時(shí)增大，天線(xiàn)增益提高，但過(guò)大的陣元間距會(huì)使天線(xiàn)方向性圖出現(xiàn)柵瓣[4]，導(dǎo)致非干擾方向出現(xiàn)功率泄漏。本文提出用功分喇叭作為線(xiàn)陣單元，使拋物柱面天線(xiàn)的口面場(chǎng)分布更均勻，提高了拋物柱面天線(xiàn)的口徑利用效率，克服角錐喇叭線(xiàn)陣饋源產(chǎn)生柵瓣的缺點(diǎn)，進(jìn)一步提高了空間功率合成天線(xiàn)的增益。

2、天線(xiàn)結(jié)構(gòu)描述

拋物柱面空間功率合成天線(xiàn)包括多個(gè)天線(xiàn)單元組成的線(xiàn)性饋源陣列和拋物柱面反射板。空間功率合成的原理示意圖和偏饋拋物柱面天線(xiàn)結(jié)構(gòu)如圖1所示。微波信號(hào)經(jīng)過(guò)分路器分成若干路依次接上移相器和功放通過(guò)波導(dǎo)對(duì)喇叭單元進(jìn)行饋電。為了實(shí)現(xiàn)水平極化，16路喇叭E面水平放置以D為陣元中心間距組成陣列放在拋物柱面的焦線(xiàn)位置作為饋源，微波信號(hào)由喇叭發(fā)射經(jīng)過(guò)拋物柱面反射后在空中進(jìn)行高功率合成。拋物柱面天線(xiàn)的俯視圖和側(cè)視圖如圖2所示，天線(xiàn)采用偏饋的形式，為了避免了拋物柱面反射波對(duì)饋源的影響，截去拋物柱面張角小于Y0=5o的部分。拋物柱面夾角為Y=55o，最大張角為Y0+Y=60o，喇叭的照射角度為Ym=32.5o，Ym為拋物柱面夾角的平分線(xiàn)指向。拋物柱面的水平投影寬度為T(mén)。拋物柱面的高度為H，為了減少拋物柱面的后向輻射，H比喇叭陣列的垂直面總高度兩邊分別多留出H0=0.625l的高度，拋物柱面的有效口徑尺寸為T(mén)*H。拋物面的焦距為F=12.5l。

拋物柱面天線(xiàn)的水平面尖銳波束通過(guò)拋物面反射形式形成，垂直面尖銳波束通過(guò)喇叭組陣的方式形成。水平面和垂直面的波束寬度可獨(dú)立調(diào)整，通過(guò)移相器對(duì)饋電相位的調(diào)整，合成波束可在垂直面進(jìn)行電掃描。不失一般性，本文所有頻率對(duì)工作的中心頻率f0歸一化，所有尺寸為電尺寸，其中

為f0對(duì)應(yīng)空氣中的波長(zhǎng)。

本文比較了不同饋源的三副空間功率合成天線(xiàn)，天線(xiàn)一用E面扇形喇叭線(xiàn)陣作為饋源，天線(xiàn)二用角錐喇叭線(xiàn)陣作為饋源，天線(xiàn)三用功分喇叭線(xiàn)陣作為饋源，拋物柱面的焦距和張角保持不變，拋物面高度H隨著喇叭的H面口徑作相應(yīng)的調(diào)整。

三副天線(xiàn)對(duì)應(yīng)的饋源陣列示意圖如圖3所示。圖3(a)為饋源一的H面示意圖，圖3(b)為其E面示意圖，矩形波導(dǎo)口徑尺寸a=0.794

，b=0.397

，波導(dǎo)工作于TE10模，喇叭E面口面場(chǎng)為均勻分布，H面口面場(chǎng)為余弦分布。D1為饋源一的陣元中心間距，饋源一對(duì)應(yīng)的拋物柱面天線(xiàn)高度H=16*D1+2*H0。C=1.979

為喇叭的長(zhǎng)度，A1=a為喇叭的H面口徑尺寸，調(diào)整喇叭的E面口徑尺寸B1，當(dāng)拋物柱面天線(xiàn)的增益最高時(shí)確定B1取值。天線(xiàn)二對(duì)應(yīng)的饋源二的示意圖和尺寸如圖3(c)，(d)所示，饋源二是張開(kāi)饋源一中E面扇形喇叭的H面口徑形成角錐喇叭，喇叭H面口徑為A2，喇叭的單元間距加大為D2，此時(shí)拋物柱面高度H=16*D2+2*H0。

調(diào)整喇叭的E面口徑B2，當(dāng)拋物柱面天線(xiàn)的增益最高時(shí)確定B2取值。天線(xiàn)三對(duì)應(yīng)的饋源三的示意圖和尺寸如圖3(e)，(f)所示，饋源三是延長(zhǎng)饋源二中的角錐喇叭的張口，并在口面中間加水平金屬劈來(lái)改變喇叭口面場(chǎng)分布，形成功分喇叭，該喇叭的H面口徑A3與饋源二中A2相等，陣元間距D3也與D2相等。喇叭的E面口徑B3確定也以?huà)佄镏嫣炀€(xiàn)增益最高為標(biāo)準(zhǔn)。三副天線(xiàn)的主要參數(shù)對(duì)比如表I所示。

　　圖1 偏饋拋物柱面天線(xiàn)結(jié)構(gòu)示意圖

　　(a)俯視圖，(b)側(cè)視圖

　　圖2 偏饋拋物柱面天線(xiàn)

　　(a)扇形喇叭線(xiàn)陣H面，(b)扇形喇叭E面

　　(c)角錐喇叭線(xiàn)陣H面，(d)角錐喇叭E面

　　(e)功分喇叭線(xiàn)陣H面，(f)功分喇叭E面

　　圖3 喇叭饋源陣列的示意圖

3、計(jì)算結(jié)果

本文用FEKO軟件對(duì)上述的三副天線(xiàn)進(jìn)行計(jì)算，喇叭饋源部分用矩量法求解，拋物柱面反射板部分用物理光學(xué)方法求解，在保證計(jì)算準(zhǔn)確度的同時(shí)，節(jié)省計(jì)算機(jī)內(nèi)存容量和計(jì)算時(shí)間。三種饋源喇叭單元的駐波比如圖4所示，扇形喇叭，角錐喇叭和功分喇叭的駐波比在工作頻帶內(nèi)均小于1.3，三種喇叭的匹配性能良好。三副天線(xiàn)的E面方向性圖如圖5所示，H面方向性圖如圖6所示，三副天線(xiàn)的增益、半功率角、口徑利用效率如表II所示。

從增益來(lái)看，由于天線(xiàn)二張開(kāi)了天線(xiàn)一的E面扇形喇叭的H面口徑，天線(xiàn)二的H面口徑較大，故天線(xiàn)二的增益比天線(xiàn)一的增益高出2dB，這證明了在相同的喇叭路數(shù)情況下，用角錐喇叭線(xiàn)陣作為饋源比扇形喇叭線(xiàn)陣作為饋源的拋物柱面天線(xiàn)具有更高的增益。從口面利用效率來(lái)看，由于天線(xiàn)二張開(kāi)了扇形喇叭的H面口徑，口面場(chǎng)變得更加不均勻，天線(xiàn)二的口面利用效率下降到68.9%;雖然天線(xiàn)三張開(kāi)了扇形喇叭的H面口徑，但由于金屬劈對(duì)口面場(chǎng)的分隔作用，口面場(chǎng)變得更加均勻，天線(xiàn)的口面利用效率提升到77%，所以在相同的口徑尺寸情況下，天線(xiàn)三比天線(xiàn)二的增益高0.5dB。從波束覆蓋范圍來(lái)看，由于天線(xiàn)增益的提高，天線(xiàn)三和天線(xiàn)二的半功率角都比天線(xiàn)一的更窄。從方向性圖來(lái)看，天線(xiàn)二的饋源陣元間距大于

，H面方向性圖在43度方向出現(xiàn)柵瓣，引起空間功率合成天線(xiàn)在非干擾方向出現(xiàn)大功率泄漏，天線(xiàn)三采用功分喇叭線(xiàn)陣作為饋源，克服了角錐喇叭線(xiàn)陣產(chǎn)生柵瓣的缺點(diǎn)，空間功率合成無(wú)大功率泄漏。

　　圖4 喇叭單元的駐波比

　　圖5 偏饋拋物柱面天線(xiàn)的E面方向性圖

　　圖6 偏饋拋物柱面天線(xiàn)的H面方向性圖

表II  偏饋拋物柱面天線(xiàn)的主要性能對(duì)比

4、結(jié)論

本文研究了分別用E面扇形喇叭線(xiàn)陣，角錐喇叭線(xiàn)陣，功分喇叭線(xiàn)陣作為饋源的偏饋拋物柱面空間功率合成天線(xiàn)。在喇叭路數(shù)相同的情況下，角錐喇叭線(xiàn)陣作饋源的拋物柱面天線(xiàn)增益比E面扇形喇叭線(xiàn)陣作饋源的增益更高，但口徑利用效率下降，波束覆蓋范圍變窄，當(dāng)角錐喇叭線(xiàn)陣的陣元間距過(guò)大時(shí)天線(xiàn)的H面方向性圖出現(xiàn)柵瓣。與角錐喇叭線(xiàn)陣作饋源的拋物柱面天線(xiàn)相比，功分喇叭線(xiàn)陣作饋源的天線(xiàn)口面場(chǎng)分布更均勻，能克方向性圖出現(xiàn)柵瓣的缺點(diǎn)，口徑利用效率提高。在不增加喇叭路數(shù)(不增加大功率功放成本)的情況下，實(shí)現(xiàn)更高的空間功率合成天線(xiàn)增益的較好方法是采用功分喇叭線(xiàn)陣作饋源。