用于高功率微波測量的圓極化微帶陣列天線

陳鵬等

摘 要： 在進行高功率微波（HPM）輻射場測量時，測量天線的極化匹配對測量精度影響較大。為提高測量精度，介紹一種微帶圓極化陣列天線，采用功分器作為饋電網絡，獲得了小于1 dB的軸比，與非陣列圓極化微帶天線相比，使軸比降低約1 dB。因此，當采用該圓極化陣列天線測量線極化微波的遠場輻射時，使極化失配對測量結果的影響由±13%降至[±3.6]%左右。

關鍵詞： 輻射場測量； 圓極化； 陣列天線； 高功率微波

中圖分類號： TN821+.1?34 文獻標識碼： A 文章編號： 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輻射場測量是研究高功率微波輻射特性的重要手段和獲得高功率微波輻射功率密度的主要途徑。國內外常采用線極化的開口波導[1?2]或標準增益喇叭天線作為測量天線。在實際測量時，需要將開口波導或標準增益喇叭天線的極化方向與電磁場極化方向對準，否則將導致極化失配，降低測量精度。

采用線極化測量天線進行EMI測量時，由于干擾信號極化方向未知，需在每個測量位置改變測量天線的極化方向，以保證測量結果的準確性[3]。圓極化天線能夠接收任意極化方向的線極化電磁波，可以在一定程度上減少由極化失配引起的測量誤差，且不需事先確定待測信號的極化方向，因此曾有人提出采用圓極化對數周期陣子天線測量電磁干擾的方法[4]。

圓極化天線在HPM輻射場測量中的應用較少，本文利用微帶天線易于組陣的特點，根據特定的方法組成微帶圓極化天線陣列，減小了軸比，提高了圓極化純度，為HPM輻射場測量提供了一種新的測量方式。

1 圓極化微帶天線設計與研制

1.1 矩形圓極化微帶天線

矩形微帶天線的設計尺寸[5]如式（1），式（2）所示：

[W=c2frεr+12-12] （1）

[L=c2frεe-2Δl] （2）

式中：[W]為矩形寬度；[L]為矩形長度；[fr]為諧振頻率；[c]為光速；[εr]為微帶介質板相對介電常數；[Δl]為邊緣效應引起的等效長度變化；[εe]為等效介電常數。

在矩形微帶天線對角線附近，利用同軸線饋電可以激勵起方向垂直，相位差為90°的兩個線極化波，從而實現天線的圓極化設計。利用計算軟件對饋電點位置和貼片尺寸進行優化，并根據圓極化微帶天線的工作頻段，得到矩形微帶天線的實際尺寸和饋電點位置。根據計算得到的天線參數，經加工得到圓極化矩形微帶天線的實物圖如圖1所示。

對該天線軸比進行測量，得到天線的軸比約2 dB。用于測量時，2 dB的軸比引入的測量誤差較大，因此必須考慮進一步減小軸比，提高測量精度。

1.2 圓極化微帶陣列天線設計原理

假設某[n]元旋轉陣列由[n]個圓極化天線單元組成，各天線單元距天線陣中心距離相等。天線陣組成形式如圖2所示。

其中[?pm]為天線單元的旋轉角度。天線單元的遠場輻射場強可表示為：

[Em（x，y）=am（x，y）xm+jbm（x，y）ym] （3）

若[am≠bm，]天線為橢圓極化。則天線陣的遠場輻射場強可表示為：

[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]為天線單元旋轉角度；[?em]為天線單元的饋電相位；[ψm]為第[m]個天線單元的相位延遲，且[ψm=（m-1）k0dmsinθm；][p]為某一正整數；[n]為天線單元工作模式的個數。

將矩形圓極化微帶天線按一定旋轉角度組合在一起，并饋入不同相位的信號，當天線的旋轉角度及饋電相位[6]滿足式（3）時，天線陣的軸比遠遠小于其組成單元的軸比。

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

在天線陣主軸方向，將式（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，]并根據三角公式：

[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）即為滿足式（5）中旋轉角度及饋電相位關系的圓極化微帶天線陣主軸方向遠場輻射場表達式。其中總電場分為兩部分：第一部分是純圓極化場，第二部分是交叉極化場，而第二部分可以通過使[a=b]或者適當選擇[p]與[M]消除。由于設計純圓極化（[a=b]）的天線單元較難，因此通過適當選擇[p]與[M]消除交叉極化，從而獲得軸比較小的圓極化天線陣。本文中圓極化天線陣選擇的參數為[p=2，][M=4，]陣列形式如圖3所示。

利用計算軟件對天線陣進行數值模擬并優化設計尺寸，根據設計尺寸加工了圓極化微帶天線陣列，如圖4所示。

1.3 圓極化微帶陣列天線饋電電路

由設計原理可知，天線陣的饋入信號應幅度相等、相位差為90°，采用一分四路功分器產生滿足要求的輸入信號，通過同軸電纜分別饋入天線陣的4個陣元，功分器如圖5所示。

2 實驗結果與分析

圓極化天線的軸比測試實驗布局如圖6所示。實驗中，開口波導作為發射天線，圓極化微帶天線作為接收天線。為減少地面反射，開口波導一側鋪設吸波材料。發射天線與接收天線連接矢量網絡分析儀，在設計頻段中選擇矢量網絡分析儀的掃描頻點，設置掃描時間為120 s。掃描過程中開口波導隨步進電機連續旋轉，掃描完成后矢量網絡分析儀的[S21]參數變化幅度即為圓極化接收天線的軸比。

從圖7可以看出，圓極化微帶陣列天線的實測軸比小于1 dB，而矩形微帶天線的實測軸比約2 dB，可見微帶陣列天線的圓極化程度明顯優于單個的矩形微帶天線，驗證了組陣方式的正確性。

3 結 論

本文設計并制作了基于90°混合饋電網絡的微帶圓極化陣列天線，通過將單個天線組成陣列的方式，使單個天線的軸比由2 dB減小到小于1 dB，減小了高功率微波輻射場測量過程中由極化失配引起的測量誤差，提高了測量精度。

參考文獻

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