一种新型宽频带双极化馈源的设计

摘 要：高效率的宽频带馈源可以大大减少馈源数量，减小天线口径，在天线工程中应用很广。采用正方形振子形式设计的新型宽频带双极化馈源，与传统馈源相比，该馈源具有频带宽、体积小以及波束等化好等优点。首先给出了这种馈源的几何结构和腔体理论分析，并对这种馈源反射腔的几种不同结构形式进行了对比分析，分析结果表明采用圆形反射腔形式是最佳选择。对比仿真分析和理论计算结果，两者非常吻合，验证了理论分析的正确性。

0 引言

由于天文观测的特殊需求，迫切需要高性能、小型化的宽频带馈源，以实现馈源阵的紧密排列，并保证系统具有优良的信噪比性能。对于具有反射腔的振子馈源，增加振子的宽度能够达到展宽频带的目的。通过选择形状不同于常规振子的新型振子，根据频率及频带宽带要求优化振子尺寸及间距等参数，选择最优的馈电方式，最终设计出满足宽带要求的高性能馈源。

1 新型馈源提出

根据某工程需要，观测频率初步设定为0. 5 ~1. 2 GHz，天线方案选为柱形抛物面天线，馈源为半波长间距的线阵，柱形抛物面的焦径比f / D 选为0. 4。传统馈源由于其频带窄、尺寸大且波束等化不好等因素不能满足设计要求，基于此提出了一种新型宽频带馈源，通过将振子形状设计为正方形以最大限度的展宽频带，其尺寸约为0. 33 λc (λc 为中心频率所对应的波长)，该设计能满足宽频带、小型化的需求。对2 个振子分别交叉馈电能满足双极化的要求，该馈源的结构示意图如图1 所示。

图1 新型馈源结构外形图

2 理论分析

腔体中的场是波导模Fourier 变换的和，腔体敞开端的绕射和耦合效应可忽略不计。在开口腔体辐射器的理论分析中，波导激励理论用来计算由腔体激励器激励的标准模。接着由孔径场计算辐射场。

第q 个模的孔径场Eθq和Hφq产生的总辐射场( Erq ) 由下式得到：

　　式中：

　　式中：

式中，是包围电流源Ja的体积分，是腔体截面(CS) 上的面积分。

式中，ζ0 和Zq 分别是自由空间和第q 个波导模的波阻抗，第q 个TE 或TM 波导模的特征值是kcq。

3 反射板结构和主要参数确定

不同反射板结构对馈源辐射性能影响很大，对反射板加扼流槽结构、反射板加正方形腔结构以及圆形反射腔结构等3 种不同结构的辐射性能进行了比较，并针对圆形反射腔结构分析了不同参数对辐射性能的影响。

3.1 不同反射板结构辐射性能比较

分别对3 种不同结构的反射板辐射性能进行了分析和比较。

( 1) 反射板加扼流槽结构。

在反射板边缘加直线状扼流槽，此种结构仿真所得的结果与分析计算结果相近，对频带内的方向图进行了计算，中心频点的辐射方向图如图2 所示。

从图2 可以看出在中心频点得到的方向图E、H面等化效果不好,H 面10 dB 波束宽度太宽，作为馈源使用漏失也比较严重。

图2 反射板加扼流槽时的方向图

( 2) 反射板加正方形腔结构。

在反射板边缘加正方形腔，此种结构仿真所得的结果与分析计算结果相近，对频带内的方向图进行了计算，在中心频点的结果如图3 所示。

图3 反射板加正方形腔时的方向图

图中可以看出在中心频点得到的方向图E、H面等化效果不好，H 面10 dB波束宽度太宽，作为馈源使用漏失也比较严重。

( 3) 圆形反射腔结构。

反射板采用圆形反射腔形式，通过仿真得出的方向图结果和计算分析得出的结果吻合较好，在中心频点的结果如图4 所示。

图4 圆形反射腔时的方向图

根据上述结果，图4中的圆形反射腔形式较前2 种有较好的方向图等化特性，得到的仿真结果也和实际要求结果相近。

3 2 不同参数对辐射特性的影响

根据上面得到的结论，对反射板采用圆形反射腔时的情况进行了深入分析。

( 1) 反射腔半径的影响。

对反射腔半径的情况进行了仿真分析，部分结果如表1 所示。

表1 不同腔半径的影响

从表1 数据可以看出，腔半径为130 mm 时部分频率点10 dB 波束宽度太宽，腔半径为140 mm 时与理想结果相近，选为150 mm 时，部分频点10 dB 波束宽度太窄，综合上述分析，最终选择腔半径为140 mm。

( 2) 反射腔高度的影响。

对反射腔高度选为60 mm、70 mm 和75 mm 的情况进行了仿真分析，部分仿真结果如表2 所示。

表2 不同腔高度的影响

　　从表2 可以看出，腔高度选为60 mm 时，其E面、H 面不等化问题严重，选为70 mm 得到的结果相对会好一些，并且腔高度选的比振子高度越低，其电压驻波比调整余量越大，因此从工程实际和仿真结果2 个方面考虑，选择腔高度为70 mm。

还通过仿真分析了振子间距对辐射特性的影响，振子间距对其影响不大，其影响主要体现在对电压驻波比的影响上，当振子间距选为10 mm 时有较好