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，以實現饋源陣的緊密排列，并保證系統具有優良的信噪比性能。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振子的新型振子，根據頻率及頻帶寬帶要求優化振子尺寸及間距等參數，選擇最優的饋電方式，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，該饋源的結構示意圖如圖1 所示。

圖1  新型饋源結構外形圖

　　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   反射板結構和主要參數確定

　　不同反射板結構對饋源輻射性能影響很大，對反射板加扼流槽結構、反射板加正方形腔結構以及圓形反射腔結構等3 種不同結構的輻射性能進行了比較，并針對圓形反射腔結構分析了不同參數對輻射性能的影響。

　　3.1   不同反射板結構輻射性能比較

　　分別對3 種不同結構的反射板輻射性能進行了分析和比較。

　　( 1) 反射板加扼流槽結構。

　　在反射板邊緣加直線狀扼流槽，此種結構仿真所得的結果與分析計算結果相近，對頻帶內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構。

　　在反射板邊緣加正方形腔，此種結構仿真所得的結果與分析計算結果相近，對頻帶內的方向圖進行了計算，在中心頻點的結果如圖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) 圓形反射腔結構。

　　反射板采用圓形反射腔形式，通過仿真得出的方向圖結果和計算分析得出的結果吻合較好，在中心頻點的結果如圖4 所示。

圖4  圓形反射腔時的方向圖

　　根據上述結果，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，得到的仿真結果也和實際要求結果相近。

　　3 2   不同參數對輻射特性的影響

　　根據上面得到的結論，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，部分結果如表1 所示。

表1  不同腔半徑的影響

　　從表1 數據可以看出，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，其電壓駐波比調整余量越大，因此從工程實際和仿真結果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   結束語

　　寬頻帶饋源是天線工程設計中經常遇到的問題，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，可實現高性能的寬頻帶雙極化饋源。該饋源在2. 4 個倍頻程內具有較好的性能指標，可用于射電、天文、通信和偵察等系統的反射面天線設計中，是一種性能優良的寬頻帶饋源。