超寬帶嵌套同軸波導組合饋源實驗研究

2019-11-03 09:02:49

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供稿：網友

邱景輝　王汝征　宋朝暉
　　（哈爾濱工業大學電子與信息技術，哈爾濱 150001）

　　摘　要：超寬帶波導饋源在反射面天線中有著巨大的應用潛力。本文分析設計了一個四腔體60∶1帶寬（1～60GHz）的超寬帶嵌套同軸波導組合饋源。文中詳細討論了饋源的性能，該饋源在整個工作頻帶內有小于-10dB的反射損耗。饋源的每個同軸波導腔工作于圓極化TE11模。饋源的相關參數由實驗測量（1～8GHz）和有限元法仿真（8～60GHz）得到。

　　關鍵詞：超寬帶，同軸波導，饋源

　　1　引言

　　高效超寬帶波導饋源在反射面天線中有著廣闊的應用前景。它能替代多個窄帶天線饋源陣，用單一中心點波束代替非共心點波束群或用于雷達脈沖輻射等電磁領域。研制超寬帶饋源的難點在于增加饋源帶寬的同時要保證天線的性能。許多超寬帶天線都是采用與頻率無關的螺旋結構和對數周期結構。這些天線依靠其結構由角度單獨確定并且理論上與頻率無關，于是天線的電結構尺寸不隨頻率改變，并具有相同的輻射特性。然而實際上天線的上限頻和下限頻分別受結構尺寸和材料的限制。本文使用的方案是將多個若干帶寬的同軸波導嵌套在初始同軸波導內以實現寬頻帶，以每個內同軸波導依次外延的形式來降低反射損耗。饋源的每個同軸波導腔體用圓極化TE11模激勵。

　　2　同軸波導饋源

　　同軸波導因為反射損耗的原因，在做面天線饋源時，通常使它工作于窄帶寬、相應的低反射系數及低交叉極化狀態。工作于TE11模的同軸波導做窄帶饋源時，能有效提高天線的效率［1］，并在工作頻帶上有理想的輻射模式和一致的相位中心。

　　同軸波導內外半徑比的變化使其在為某一頻段設計波導尺寸時具有比圓波導更小的孔徑尺寸和更寬的TE11模帶寬。同軸波導圓極化TE11模帶寬隨內外波導半徑比的變化而變化，為了滿足寬頻帶，同軸波導的內外波導半徑比必須相對小［2］。實際中采用外導體內半徑a=7.90cm同軸波導進行實驗，固定其外導體半徑a，通過改變內導體半徑b來改變內外同軸波導半徑比，通過測量不同頻點得到ka所對應反射損耗。測量的結果如圖1所示。當同軸波導內外導體半徑比減小時，雖然TE11單模傳輸的頻帶寬度增加，但是反射損耗也會隨之增加。考慮到整個帶寬的連續覆蓋，在設計同軸波導饋源尺寸時采用了由Bird和James最早提出的一種在寬頻帶內降低同軸波導TE11模反射系數的簡單方法［3］，即延長同軸波導的內導體，使之探出于外導體。在測量同軸內導體的外延對反射損耗的影響時采用外導體半徑a=2.75cm，內導體半徑b=1.10cm，內外波導半徑比為2.50的同軸波導。通過改變內導體的外延量測得不同探出距離情況下隨頻率變化的反射損耗。結果如圖2所示，對于一個同軸內外半徑比為2.50的同軸波導在相應的工作帶寬上，內導體外延后的TE11模反射損耗明顯降低。但由于內導體的外延，導致交叉極化輻射增加并且相位中心軸向位移，從而會降低反射面天線的效率。所以在設計同軸波導半徑尺寸和內導體探出距離時，采取了折衷方案。

　　3　超寬帶嵌套同軸波導組合饋源

　　本文設計了一個四同軸波導腔體60∶1頻率帶寬（1～60GHz）的超寬帶嵌套同軸波導組合饋源。表1和圖3給出了超寬帶嵌套同軸波導組合饋源的尺寸和結構，要求它在整個帶寬范圍內反射損耗低于-10dB。饋源的每個同軸波導腔采用水平方向、垂直方向兩組空間正交的四個探針通過耦合產生圓極化TE11模，兩組探針相位相差π/2，通過混合器來實現，如圖4所示。該混合器包括功分器、移相器和寬帶巴侖，是一個寬帶匹配網絡，用于實現功率分配、移相、平衡不平衡之間的轉換以及阻抗匹配。在設計中，為了保證在整個超寬頻帶內的連續覆蓋，四個同軸波導腔體依次嵌套；為了減小TE11單模傳輸的反射損耗和同軸波導間的互耦，內導體逐一外延。在整個帶寬上為使各同軸腔體中TE11模和下一個高次模的有效隔離，設計時留有10%的帶寬余量，同時也考慮了波導壁厚，并且在保證連續帶寬的情況下，同軸內外半徑比盡可能大，最小值也已達到2.50。

　　如圖2所示，增加內導體的外延量會降低整個帶寬上的反射損耗，但隨之也增加了交叉極化并使各同軸腔體相位中心軸向位移。綜合考慮以上因素，設計出的饋源相位中心位于同軸腔體1和腔體2 開孔的中間處。這樣設計使得工作在高頻端的同軸腔體1和2可以分別有1.5a1和1.1a2較大的內導體外延，而外部低頻端的同軸腔體3和4分別設計了0.9a3和0.75a4相對小的探出距離。同時圖6～圖11給出了超寬帶組合饋源各同軸波導腔體在若干采樣頻點處的E/H面方向圖。實際測試中采用水平方向、垂直方向兩組四個空間正交的探針在同軸波導中通過耦合產生圓極化TE11模，兩組探針相位相差π/2。

　　4　結果與討論

　　四腔體嵌套同軸波導組合饋源的反射損耗如圖5。饋源1～8GHz頻段（同軸腔體3和4）的反射損耗數據通過網絡分析儀測量得到，其中反射損耗參考面為混合器前端，而8～60GHz頻段（同軸腔體1和2）的數據則由有限元法仿真得到。從圖5可以看出，外延嵌套同軸波導的反射損耗要比內波導不探出時明顯降低。對于相鄰的同軸波導，在每個同軸波導腔工作的低頻端，同軸內波導的添加對該同軸外波導所覆蓋的頻段反射損耗有較小的影響，而外同軸會導致內同軸在所工作低頻端的反射損耗產生振蕩并使交叉極化增加，外延內導體減少了同軸波導腔體之間的相互耦合。對于相隔的同軸波導，由于有較寬的頻帶間隔，波導間的影響要小得多。在一個同軸波導腔體內，在高頻端，同軸波導外導體的存在對反射系數有很小的影響；在低頻端，外層波導和該腔體的相互耦合則會導致反射損耗的波動。而當頻率增加甚至接近內嵌套波導TE11模的截至頻率時，反射損耗會增加幾個分貝。當工作頻率降至任意2個相鄰嵌套波導覆蓋頻率的10%的時候，交叉極化會導致反射損耗增大。即使考慮交叉極化的作用，實驗和仿真得出的反射損耗值在整個工作頻帶上都低于-10dB。

　　文中優化設計并分析了超寬帶嵌套同軸波導組合饋源。四個同軸波導腔體的嵌套形式是每個內導體依次外延，覆蓋了60∶1的頻率帶寬（1～60GHz）。內導體的外延在整個帶寬上顯著地減小了反射損耗和波導間的相互耦合。嵌套的外部波導可以有效的扼制同軸的底端輻射。雖然內導體的外延也增加了交叉極化和饋源相位中心的軸向位移，但饋源在整個工作頻段上仍保證了反射損耗小于-10dB。

　　參考文獻

　　〔1〕Mark D Cavalier, Don Shea. Antenna System For Multi-Band Satellite Communications. MILCOM 97 PRoceedings, 1997,1:276-280 

　　〔2〕Steven L Johns, Aluizio Prata Jr. An Ultra-Wideband Nested Coaxial Waveguide Feed For Reflector applications. Antennas and Propagation Society, 1999. IEEE International Symposium 1999, 1999,1: 704-707 

　　〔3〕Bird T S, James G L, Skinner S J. Input Mismatch of TE11 Mode Coaxial Waveguide Feeds. IEEE Trans. Antennas Propagat., AP-34,8, 1986,8: 1030-1033

　　〔4〕Henderson R J, Richards P J. Compact Circularly-Polarised Coaxial Feed. Antennas and Propagation, 1995. ICAP’95, Ninth International Conference, 1995. 4: 327-330 

　　〔5〕Livingston M L. Multifrequency Coaxial Cavity Apex Feeds. Microwave J.,22, October 1979, 10: 51-54

　　〔6〕Sliverster P P, Ferrari R L. Finite Elements for Electrical Engineers, 2nded. (Cambridge: Cambridge University Press, 1990)

摘自微波學報

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