用于高功率微波测量的圆极化微带阵列天线

陈鹏等

摘 要： 在进行高功率微波（HPM）辐射场测量时，测量天线的极化匹配对测量精度影响较大。为提高测量精度，介绍一种微带圆极化阵列天线，采用功分器作为馈电网络，获得了小于1 dB的轴比，与非阵列圆极化微带天线相比，使轴比降低约1 dB。因此，当采用该圆极化阵列天线测量线极化微波的远场辐射时，使极化失配对测量结果的影响由±13%降至[±3.6]%左右。

关键词： 辐射场测量； 圆极化； 阵列天线； 高功率微波

中图分类号： TN821+.1?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2015）17?0084?03

Circularly polarized microstrip array antenna applied to

high power microwave measurement

CHEN Peng1， 2， NING Hui2， JING Hong2， NIE Xin1， 2， MAO Congguang1， 2

（1. State Key Laboratory of Intense Pulsed Radiation Simulation and Effect， Xian 710024， China；

2. Northwest Institute of Nuclear Technology， Xian 710024， China）

Abstract： The polarization matching of measurement antenna has great impact on measurement accuracy while measuring the radiation field of high power microwave （HPM）. A circularly polarized microstrip array antenna is introduced to improve the measurement accuracy. Taking power divider as feed network， the axial ratio of better than 1 dB is acquired. Compared with circularly?polarized microstrip antenna with non?array， this method makes the axial ratio reduce by about 1 dB. When the array antenna is used to measure far field radiation of the linear polarized microwave， the influence of polarization mismatching on the measuring results is reduced from ±13% to ±3.6% approximately.

Keywords： radiation field measurement； circular polarization； array antenna； high power microwave

0 引 言

HPM辐射场测量是研究高功率微波辐射特性的重要手段和获得高功率微波辐射功率密度的主要途径。国内外常采用线极化的开口波导[1?2]或标准增益喇叭天线作为测量天线。在实际测量时，需要将开口波导或标准增益喇叭天线的极化方向与电磁场极化方向对准，否则将导致极化失配，降低测量精度。

采用线极化测量天线进行EMI测量时，由于干扰信号极化方向未知，需在每个测量位置改变测量天线的极化方向，以保证测量结果的准确性[3]。圆极化天线能够接收任意极化方向的线极化电磁波，可以在一定程度上减少由极化失配引起的测量误差，且不需事先确定待测信号的极化方向，因此曾有人提出采用圆极化对数周期阵子天线测量电磁干扰的方法[4]。

圆极化天线在HPM辐射场测量中的应用较少，本文利用微带天线易于组阵的特点，根据特定的方法组成微带圆极化天线阵列，减小了轴比，提高了圆极化纯度，为HPM辐射场测量提供了一种新的测量方式。

1 圆极化微带天线设计与研制

1.1 矩形圆极化微带天线

矩形微带天线的设计尺寸[5]如式（1），式（2）所示：

[W=c2frεr+12-12] （1）

[L=c2frεe-2Δl] （2）

式中：[W]为矩形宽度；[L]为矩形长度；[fr]为谐振频率；[c]为光速；[εr]为微带介质板相对介电常数；[Δl]为边缘效应引起的等效长度变化；[εe]为等效介电常数。

在矩形微带天线对角线附近，利用同轴线馈电可以激励起方向垂直，相位差为90°的两个线极化波，从而实现天线的圆极化设计。利用计算软件对馈电点位置和贴片尺寸进行优化，并根据圆极化微带天线的工作频段，得到矩形微带天线的实际尺寸和馈电点位置。根据计算得到的天线参数，经加工得到圆极化矩形微带天线的实物图如图1所示。

对该天线轴比进行测量，得到天线的轴比约2 dB。用于测量时，2 dB的轴比引入的测量误差较大，因此必须考虑进一步减小轴比，提高测量精度。

1.2 圆极化微带阵列天线设计原理

假设某[n]元旋转阵列由[n]个圆极化天线单元组成，各天线单元距天线阵中心距离相等。天线阵组成形式如图2所示。

其中[?pm]为天线单元的旋转角度。天线单元的远场辐射场强可表示为：

[Em（x，y）=am（x，y）xm+jbm（x，y）ym] （3）

若[am≠bm，]天线为椭圆极化。则天线阵的远场辐射场强可表示为：

[Etotal（x，y）=m=1MEm（x，y）=m=1Mam（x，y）xm+jbm（x，y）ym=m=1Ma1（x，y）jb1（x，y）cos（n?pm）sin（n?pm）-sin（n?pm）cos（n?pm）x1y1×exp（j?em-jψm） （4）]

式中：[?pm]为天线单元旋转角度；[?em]为天线单元的馈电相位；[ψm]为第[m]个天线单元的相位延迟，且[ψm=（m-1）k0dmsinθm；][p]为某一正整数；[n]为天线单元工作模式的个数。

将矩形圆极化微带天线按一定旋转角度组合在一起，并馈入不同相位的信号，当天线的旋转角度及馈电相位[6]满足式（3）时，天线阵的轴比远远小于其组成单元的轴比。

[?em=（m-1）pπM，?pm=（m-1）pπnM， 1≤m≤M] （5）

在天线阵主轴方向，将式（5）代入式（4）得到：

[Etotal=m=1Ma1（0，0）cos（m-1）pπM-jb1（0，0）sin（m-1）pπM?cos（m-1）pπM+jsin（m-1）pπM?x1+a1（0，0）sin（m-1）pπM+jb1（0，0）cos（m-1）pπM?cos（m-1）pπM+jsin（m-1）pπM?y1 （6）]

令[α=-pπM，][β=pπM，]并根据三角公式：

[m=1Msin（α+mβ）=sinMβ2sinβ2sinα+12（M+1）βm=1Mcos（α+mβ）=sinMβ2sinβ2cosα+12（M+1）β] （7）

得到：

[Etotal=M2?a1（0，0）+b1（0，0）?（x1+jy1）+12a1（0，0）-b1（0，0）?（x1-jy1）?sin（pπ）sinpπM?expjM-1Mpπ （8）]

式（8）即为满足式（5）中旋转角度及馈电相位关系的圆极化微带天线阵主轴方向远场辐射场表达式。其中总电场分为两部分：第一部分是纯圆极化场，第二部分是交叉极化场，而第二部分可以通过使[a=b]或者适当选择[p]与[M]消除。由于设计纯圆极化（[a=b]）的天线单元较难，因此通过适当选择[p]与[M]消除交叉极化，从而获得轴比较小的圆极化天线阵。本文中圆极化天线阵选择的参数为[p=2，][M=4，]阵列形式如图3所示。

利用计算软件对天线阵进行数值模拟并优化设计尺寸，根据设计尺寸加工了圆极化微带天线阵列，如图4所示。

1.3 圆极化微带阵列天线馈电电路

由设计原理可知，天线阵的馈入信号应幅度相等、相位差为90°，采用一分四路功分器产生满足要求的输入信号，通过同轴电缆分别馈入天线阵的4个阵元，功分器如图5所示。

2 实验结果与分析

圆极化天线的轴比测试实验布局如图6所示。实验中，开口波导作为发射天线，圆极化微带天线作为接收天线。为减少地面反射，开口波导一侧铺设吸波材料。发射天线与接收天线连接矢量网络分析仪，在设计频段中选择矢量网络分析仪的扫描频点，设置扫描时间为120 s。扫描过程中开口波导随步进电机连续旋转，扫描完成后矢量网络分析仪的[S21]参数变化幅度即为圆极化接收天线的轴比。

从图7可以看出，圆极化微带阵列天线的实测轴比小于1 dB，而矩形微带天线的实测轴比约2 dB，可见微带阵列天线的圆极化程度明显优于单个的矩形微带天线，验证了组阵方式的正确性。

3 结 论

本文设计并制作了基于90°混合馈电网络的微带圆极化阵列天线，通过将单个天线组成阵列的方式，使单个天线的轴比由2 dB减小到小于1 dB，减小了高功率微波辐射场测量过程中由极化失配引起的测量误差，提高了测量精度。

参考文献

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[2] 陈代兵，范植开，黄华.开口波导有效接收面积的测量[J].强激光与粒子束，2004，16（4）：474?476.

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