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，在天線工程中應用很廣。采用正方形振子形式設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 為中心頻率所對應的波長)，該設計能滿足寬頻帶、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

　　腔體中的場是波導模Fourier 變換的和，腔體敞開端的繞射和耦合效應可忽略不計。在開口腔體輻射器的理論分析中，波導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 個波導模的波阻抗，第q 個TE 或TM 波導模的特征值是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計中經(jīng)常遇到的問題，通過將反射腔振子饋源的振子設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)的反射面天線設計中，是一種性能優(yōu)良的寬頻帶饋源。