用于空间功率合成的线阵馈电焦散抛物曲面天线

谢泽明 王立新 阮水生

（华南理工大学 电子与信息学院，广东 广州 510640）

引 言

在电子对抗微波毫米波系统中，往往需要把大功率的定向电磁辐射波束辐射到作战空间，用传统的固态微波器件获得的功率非常有限。运用空间功率合成的方法能获得较大的微波干扰功率［1-2］，通过采用空间功率合成天线，多路功率信号直接通过天线单元辐射到自由空间去，通过控制各路辐射的相位，直接在自由空间合成定向辐射的大功率电磁波束，由于没有了合成网络的损耗，合成效率较高。郭晨等研究了采用超宽带双馈源抛物面天线实现功率合成的方法［3］，Yahya和钟哲夫研究了采用圆形面阵馈电抛物面天线实现空间功率合成的方法［4-5］，利用阵列馈源进行空间功率合成和反射面形成高增益波束。张亦希和张恒伟在阵馈反射面天线频域方向性相乘原理的基础上，对窗口效应形成的原因和产生的影响进行了分析，并提出了两种能够减小窗口效应的窗口函数［6］。在采用多路大功率放大器进行功率合成的情况下，直线阵列比面阵容易安装实现，因此，用线阵馈电的偏置抛物柱面天线是实现空间功率合成的一种很好的方法［7］。抛物柱面天线要求阵列长度与反射面长度相同，要进一步提高天线的增益，必须加大天线的口径尺寸，需要更多的喇叭单元或者更大的阵列单元间距。更多的喇叭单元意味着更多的功放路数，这会大幅度提高系统的成本。如果不增加喇叭阵列的单元数，采用角锥喇叭同时加大喇叭阵列单元之间的间距，也可以加大天线的口径，根据天线阵列理论，当阵元间距大于1个波长时，天线方向性图就会出现栅瓣，使功率在不需要的方向产生强辐射，这一方面浪费能量，降低功率合成效率，另一方面会产生不必要的干扰。功分喇叭在加大天线阵列尺寸时能避免出现栅瓣，提高空间功率合成天线的增益［8］，但是，为了保证喇叭口面为TE10主模，对喇叭以及反射面的尺寸都有比较严格的要求，在工程实践中不易控制。

针对直线阵列馈电，基于几何光学提出了一种新型的焦散抛物曲面空间功率合成天线。这种天线是由xoz平面的一条抛物线沿着yoz平面的另一条抛物线正交扫描所形成的一个焦散反射面，馈源阵列采用8路E面喇叭线阵偏馈的形式，每个喇叭天线的相位根据惠更斯-菲涅尔原理进行设置，使每个喇叭天线的辐射经过反射面反射后在最大辐射方向上达到的同相功率合成，形成高功率、高增益波束。研究的数据和结果也可以为相关的微波毫米波雷达系统、远距离通信系统和电子对抗系统的应用提供参考。

1.天线设计和分析

焦散抛物曲面空间功率合成天线的结构如图1和图2所示。

反射面是由xoz平面的抛物线1沿着yoz平面的抛物线2正交扫描所形成的焦散抛物曲面，其中两条抛物线的焦点分别为F1和F2，焦距分别为f1和f2，Ψ =55°，Ψ0=5°，f2=12.5λ，H2=13.34λ.

馈源阵列是由8个E面扇形喇叭组成的直线阵列，喇叭的指向为Ψm=32.5°.E面喇叭的结构如图3所示。

设计的尺寸为:a=0.397λ，b=0.794λ，A=1.75λ，B=0.794λ，C=2λ，D=λ，这时，E面的-11dB波瓣宽度等于55°，与抛物线2的张角Ψ相同，H面的3dB波瓣宽度等于66°.8单元喇叭阵列的总长度为6.37λ，即反射面的长度展宽到约为线阵的2倍。每个喇叭馈源的相位是基于几何光学和惠更斯-菲涅尔原理进行配置，使阵列在xoz平面上的等效相位中心落在抛物线1的焦点F1上。这时，每个E面喇叭的馈电相位φi为

为了获得最佳反射面，用FEKO软件采用物理光学法分析了抛物线1的焦距f1和张角Ψ1对天线增益的影响，每次改变焦距f1时馈源的相位配置也按式（1）同时改变。找到最佳的参数为f1=35λ，Ψ1=24°.当Ψ1=24°时天线增益与f1的关系如图4所示；当f1=35λ时天线增益与Ψ1关系如图5所示。

可见，f1=35λ和Ψ1=24°对应了最佳增益值30dB.当Ψ1=24°时，由抛物线的性质可得H1=14λ.

图6和图7分别给出了f1=35λ，Ψ1=24°时天线在H面和E面的仿真归一化方向图。作为对比，采用相同尺寸阵列馈电和相同投影口面大小（H1和H2）的等幅同相馈电的抛物柱面天线的方向性图也在图中给出。在E面，两种天线的方向性图相同，3dB波束宽度为4.9°.而在H面，焦散抛物曲面天线的3dB波瓣宽度为5°，副瓣电平为-14.8dB，而抛物柱面天线的3dB波束宽度为8.2°，副瓣电平为-12.6dB.焦散抛物曲面天线的增益为30dB，而抛物柱面天线的增益为27.8dB.与抛物柱面天线相比，焦散抛物曲面天线的增益提高了2.2dB，副瓣电平下降了2.2dB，表明采用焦散抛物曲面时天线的性能更好。这是因为根据惠更斯—费聂耳原理，采用式（1）进行相位配置的阵列可以在其H面的辐射等效一个位于抛物线1的焦点F1的源的辐射，均匀辐射的角度范围近似为阵列对F1的张角，通过调整参数f1，可以使抛物曲面充分照射，经反射后在H面形成幅度近似台阶余弦的同相口面场分布，因而H面的有效口径增大，H面波瓣变窄，增益提高，同时，台阶余弦的口面分布也使副瓣变低。而同样口径的抛物柱面天线，等幅同相馈电的阵列辐射宽度近似为阵列长度的均匀柱面波，只有一部分的反射面被照射，有效口面小，因而波瓣宽，增益低。而且有效照射部分的均匀幅度分布也使副瓣较高。

对于范围更大的焦散曲面波，这个曲面波在H面和E面上的相位中心和焦散抛物曲面在这两个面上的焦点重合，经反射面反射后可以形成平面波。

在实际应用中，不单需要产生高功率的电磁波束，还要求电磁波束在尽可能大的范围内可以扫描控制［9］。为了实现在H面上的相控电扫描，采用等效横向偏焦法。通过配置阵列的馈电相位，使其在xoz平面上的等效相位中心横向偏移一段距离Δz到F1，如图2（a）所示。根据抛物线的性质，偏焦后抛物曲面天线的口面场在H面上的相位偏差分布为［10］.

可以看出:馈源横向偏焦时口面场相位偏移约为直线律偏移和立方律偏移之差，直线率偏移使辐射波束偏转同一角度Δθ，偏转角度与偏焦距离的关系为［9］

偏转方向与偏焦方向相反，在偏焦距离比较小的时候近似为线性关系。但是，立方律相位偏移会使得天线主瓣变宽，增益变低，并将会出现不对称的副瓣。

为了使阵列的相位中心偏移Δx，基于几何光学和惠更斯-菲涅尔原理，每个E面喇叭的馈电相位φi为

图8给出偏转角度与偏焦距离的关系仿真结果和式（3）的结果，两者符合得很好。由于式（2）中的非线性项，增益随偏焦距离增大而下降，图9仿真了天线增益下降与偏焦距离Δx的关系。由图8和图9看出，增益下降1dB时波束偏转范围约为±7.5°，表明等效横向偏焦法可以在一定范围内实现波束电扫描。

图8 主波束偏转角度与横向偏焦量的关系

图9 天线增益与横向偏焦量的关系

2.仿真和测量结果

频率f=12.5GHz下设计制作了实际天线进行测试，反射面的尺寸为H1=360mm、H2=325 mm、f1=850mm、f2=310mm，E面扇形喇叭尺寸为b=9.52mm、A=42mm、a=B=19.05mm、C=48mm、D=24mm.焦散抛物曲面天线与同样投影口径的抛物柱面天线的H面和E面归一化方向图的测量结果如图10所示。

焦散抛物曲面天线测量结果为:增益30.3dB，E面3dB波束宽度4.8°，H面3dB波束宽度4.6°，副瓣电平为-16.1dB；抛物柱面天线测量结果为:增益28dB，E面3dB波束宽度5.0°，H面3dB波束宽度为7.8°，副瓣电平为-12.0dB.实验结果和仿真结果相符，可以显示同样口径的焦散抛物曲面天线比抛物柱面天线性能更好。

横向 偏 焦 0cm（0λ）、3cm（1.2λ）和 6 cm（2.4λ）时的测量的H面归一化方向图如图11所示:测量偏转角度分别为:0°、2.3°和4.2°，仿真偏转角度分别为0°、2°和4°，如图8所示；测量的增益分别为30.3dB、29.8dB和29.7dB，仿真结果分别为30dB、29.9dB和29.7dB，如图9所示。可见，测量和仿真结果在实验误差范围内基本相符，表明提出的等效横向偏焦电扫描方案是可行的。

3.结 论

提出了一种用于空间功率合成的阵馈焦散抛物曲面天线，研究了抛物曲面天线各个结构参数对天线性能的影响，并给出了达到最佳性能时天线的结构参数。仿真和测量结果显示:焦散抛物曲面天线可以在给定方向有效地合成波束，实现空间功率合成。与同样口径的抛物柱面天线相比，能获得更高的增益和更窄的波束。还对焦散抛物曲面天线的等效横向偏焦电扫描特性进行了研究，给出了阵列馈电相位与H面主波束偏转角的关系，测量的波束扫描结果也与理论和仿真结果比较相符，这对工程实践具有一定的指导意义。

［1］章宇兵，张 浩，廖桂生.任意分散布阵短波通信干扰机空间功率合成技术［J］.西安电子科技大学学报，2006，33（01）:150-155.ZHANG Yubing，ZHANG Hao，LIAO Guisheng.A technology of spatial power-combination for the random decentralized jammer array［J］.Journal of Xidian University，2006，33（01）:150-155.（in Chinese）

［2］DELISIO M P，YORK R A.Quasi-optical and spatial power combining［J］.IEEE Transactions，2002，50（3）:929-936.

［3］郭 晨，张安学，吴 辉，等.高功率超宽带双馈源抛物面天线设计与仿真［J］.电波科学学报，2008，23（4）:658-661.GUO Chen，ZHANG Anxue，WU Hui，et al.Design and simulation of a wide-beam high-power paraboloidal antenna with dual-source［J］.Chinese Journal of Radio Science，2008，23（4）:658-661.（in Chinese）

［4］RAHMAT-SAMII Y，DUAN D W，GIRI D V，et al.Canonical examples of reflector antennas for high-power microwave applications ［J］.IEEE Transactions，1992，34（3）:197-205.

［5］钟哲夫.阵列馈源偏置抛物面天线合成高功率微波的研究［J］.强激光与粒子束，2003，15（5）:467-470.ZHONG Zhefu.Generating high-power microwave with array feed offset paraboloid antenna［J］.High Power Laser ＆ Particle Beams，2003，15（5）:467-470.（in Chinese）

［6］张亦希，张恒伟.卫星阵馈反射面赋形波束天线窗口效应的研究［J］.电波科学学报，2010，25（6）:1046-1051.ZHANG Yixi，ZHANG Hengwei.Window effects of array-fed reflector satellite shaped-beam antennas［J］.Chinese Journal of Radio Science，2010，25（6）:1046-1051.（in Chinese）

［7］张荣幸，谢泽明，褚庆昕.偏馈抛物柱面型空间功率合成天线研究［J］.微波学报，2008，24（4）:10-14.ZHANG Rongxing，XIE Zeming，CHU Qingxi.Study of offset parabolic cylindrical reflector antenna for spa-tial power combining［J］.Journal of Microwaves，2008，24（4）:10-14.（in Chinese）

［8］谢泽明，张荣幸，熊尚书.用于空间功率合成天线的功分喇叭阵列［J］.强激光与粒子束，2011，23（2）:463-466.XIE Zeming，ZHANG Rongxing，XIONG Shangshu.Power dividing horn array for parabolic cylindrical spatial power combining antenna［J］.High Power Laser＆Particle Beams，2011，23（2）:463-466.（in Chinese）

［9］刘少东，焦永昌，张福顺.宽角扫描赋形对称单反射面天线的优化设计［J］.电波科学学报，2005，20（5）:627-631.LIU Shaodong，JIAO Yongchang，ZHANG Fushun.Optimal design of shaped symmetric single reflector antenna for wide-angle scanning［J］.Chinese Journal of Radio Science，2005，20（5）:627-631.（in Chinese）

［10］李高升，刘继斌，何建国.抛物面天线馈源偏焦的理论及应用研究［J］.雷达与对抗，2004，24（3）:38-41.LI Gaosheng，LIU Jibin，HE Jianguo.Study on theory and application of focus excursion of paraboloid feed source［J］.Radar ＆ Ecm，2004，24（3）:38-41.（in Chinese）