高功率微波COBRA天線輻射特性研究

摘 要:闡述COBRA天線的工作原理，運用口面場法計算出天線的輻射公式，最后分別通過數值計算和軟件模擬的方式，對Ka波段的COBRA天線進行了數值分析，實現了天線的圓極化軸向輻射。在工作頻率為34 GHz時，增益可達27.3 dBi，主瓣寬度為4.6°，旁瓣電平為-10.2 dB。

關鍵詞:高功率微波; COBRA天線; TE01模; 輻射

中圖分類號:TN82 文獻標識碼:A

文章編號:1004-373X(2010)07-0056-03

Radiation Characteristics of High-power Microwave COBRA

ZHOU Qian-ke， LUO Yong

(School of Physical Electronics， University of Electronic Science and Technology of China， Chengdu 610054， China)

Abstract: The operation principle of COBRA is described.Based on the analysis of aperture field， the radiation equation of COBRA antenna is worked out. By means of numerical computation and software simulation， numerical analysis on Ka band COBRA is carried out， and it is realized that the antenna can produce a circular polarized pattern with a boresight peak. At the operating frequency of 34 GHz， the gain， angular width， side lobe level are 27.3 dBi， 4.6 degree， -10.2 dB.

Keywords: high-power microwave; COBRA; TE01 mode; radiation

0 引 言

許多高功率微波源以同軸TEM模、圓波導TM0n或TE0n模作為其輸出模式。例如，磁絕緣線振蕩器(MILO)高功率微波源最初會在同軸結構中提取微波能量[1]，然后把能量從同軸TEM模轉換成圓波導TM01模。相對論速調管振蕩器(RKO)也使用了一種類似的微波提取結構[2]。如果這類軸對稱模式微波直接輻射，會產生一個軸向為零的圓環狀方向圖。通常，模式轉換技術用來改變這種不理想的模式[3，4]，使它轉變為其他輻射具有軸向峰值的模式，如圓波導TE11模或矩形波導TE10模。但是，模式轉換的同時也增加了系統的功率損耗(模式轉換效率常介于50%~75%之間)，同時轉換器本身也增加了系統(包括源、轉換器和天線)的重量和長度。另一種方法就是使用vlasov輻射天線[5，6]，但這種天線輻射增益較低，最大值方向不在軸向上而且還隨著頻率而改變。所以，對于高功率應用來說，怎樣使軸對稱模式的微波源輻射產生高增益及軸向具有最大值的方向圖便成為研究的熱點。

本文介紹的COBRA(the Coaxial Beam-Rotating Antenna)天線[7]，可以直接采用軸對稱模式的微波源產生一個高增益的任意極化方向圖，軸向具有最大值。同時，COBRA結構可以與許多高功率微波源相兼容，并能適應這些源輸出區域所存在的強電場。另外，COBRA天線可以產生圓極化場，有效地增加了與潛在目標口徑進行能量耦合的概率。

1 COBRA天線的工作原理

圖1描述了一個以終端開口圓波導為饋源的拋物反射面天線。饋源位于拋物反射面的焦點上，產生軸對稱模式的微波。饋源照射到拋物反射面上，如果反射面是傳統的旋轉拋物面，雖然增益相比其他天線來說有所提高[8-10]，但輻射產生的依然是空心圓環狀的方向圖。如果適當調整拋物反射面的結構，使各部分在到達口徑面的路徑不同，就可以達到調整各部分口徑面上相位的目的。如圖1所示，反射面下半部分有一個按照角度變化的凸起，這樣上下部分路徑長度不同所帶來的相差，可以使得各部分在到達口徑面上時具有相同的相位?？梢?，關于口徑面上下對稱的兩點電磁場大小和方向都相同，輻射將產生軸向具有最大值的線極化波。

如圖2所示，拋物反射面被等分為四部分，第一象限為參考部分不作調整，到達第二、三、四象限所經歷的路徑長度與到達參考部分所經歷的路徑長度之差分別為λ/8，λ/4，3λ/8，由此可以使關于口徑面中心對稱的兩點相位相同，輻射將產生軸向具有最大值的圓極化波。

圖1 COBRA二等分截面圖

圖2 拋物反射面四等分口面圖

2 COBRA天線輻射場的數值分析

因為入射場為軸對稱模式，所以大小應與角度無關。假定入射場電場只有aφ分量(分析結果同樣適用于只有aρ的情況)，則在柱坐標系中電場可以寫為E(ρ，φ)=E(ρ)aφ。根據柱坐標與直角坐標之間的轉換關系aφ=-axsin φ+aycos φ，入射波在口徑面上的電場可表示為:

EAx=-E(ρ)sin φe-jψ(φ)

EAy=E(ρ)cos φe-jψ(φ)

(1)

相位ψ(φ)取決于微波從饋源到反射面再到口徑面之間的距離，是φ的函數。設口徑面的直徑為D=2a，被均分為N等分，相位φ為:

2π(n-1)/N=φn-1≤φ≤φn=2πn/N，

n=1，2，…，N

則口徑面第n部分的電場和第1部分的電場相位之差為:

ψ(φ)=2π(n-1)N，

n=1，2，…，N

(2)

此式表明，口徑面的相位隨階梯的變化相位逆時針增加。

在球面坐標系中，輻射電場可以由矢量電位表示:

E(r)=jωεηar×F(r)

(3)

其中矢量電位為:

F(r)=e-jkr4πr∫SA2[EA(ρ′，φ′)×n]ejkxx+jkyyds′

(4)

式中:ω為工作頻率;ε為介電常數;η=μ/ε為空間波阻抗;SA表示對口徑面的積分;n為口徑面的法向向量;kx=ksin θcos φ，ky=ksin θsin φ。根據口面場分布，考慮到式(2)的相位表達關系，可以寫出矢量電位的兩個直角分量的具體表達式:

Fx=e-jkr2πr∑Nn=1expj2π(n-1)N∫φnφn-1∫a0E(ρ′)#8226;

cos φ′ejkρ′sin θcos(φ-φ′)ρ′dρ′dφ′

(5)

Fy=e-jkr2πr∑Nn=1expj2π(n-1)N∫φnφn-1∫a0E(ρ′)#8226;

sin φ′ejkρ′sin θcos(φ-φ′)ρ′dρ′dφ′

(6)

式中:ρ′，φ′為口徑面坐標系;r，θ，φ為輻射場坐標系。如圖3所示。

圖3 天線輻射的計算模型

3 計算與仿真結果

本文取圓波導TE01模為入射波模式，工作頻率為34 GHz。圓波導饋源半徑為6 mm，長為20 mm，拋物反射面焦距F=45 mm，直徑D=120 mm，段數N=4，計算與模擬的結果只在xoz平面(φ=0°)上。

圖4為反射面使用傳統的旋轉拋物面天線與COBRA天線的對比圖。從圖4可見，旋轉拋物面天線增益可達25.8 dBi，但最大值方向偏離中心軸3.6°;COBRA天線增益可以達到27.3 dBi，而且軸向取得最大值，主瓣寬度為4.6°，旁瓣電平為-10.2 dB。

圖5為輻射場的θ極化和φ極化方向圖。在軸向上兩個極化分量相等，φ極化方向的主瓣窄，旁瓣高，而θ極化方向的主瓣寬，旁瓣低。從圖5可知，數值計算結果與軟件模擬結果在±15°區域內基本一致，說明了結果具有較高的準確性。

圖4 傳統天線與COBRA天線對比圖

圖5 COBRA天線極化方向圖

4 結 語

COBRA天線在Ka波段內能夠實現對TE01模的圓極化軸向輻射，比使用一般的傳統天線輻射具有更高的增益，更好的方向性，它可以當作高功率微波軸對稱模式輻射天線使用。

參考文獻

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