超宽带嵌套同轴波导组合馈源实验研究

2019-11-03 09:02:49

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供稿：网友

邱景辉　王汝征　宋朝晖
　　（哈尔滨工业大学电子与信息技术，哈尔滨 150001）

　　摘　要：超宽带波导馈源在反射面天线中有着巨大的应用潜力。本文分析设计了一个四腔体60∶1带宽（1～60GHz）的超宽带嵌套同轴波导组合馈源。文中详细讨论了馈源的性能，该馈源在整个工作频带内有小于-10dB的反射损耗。馈源的每个同轴波导腔工作于圆极化TE11模。馈源的相关参数由实验测量（1～8GHz）和有限元法仿真（8～60GHz）得到。

　　关键词：超宽带，同轴波导，馈源

　　1　引言

　　高效超宽带波导馈源在反射面天线中有着广阔的应用前景。它能替代多个窄带天线馈源阵，用单一中心点波束代替非共心点波束群或用于雷达脉冲辐射等电磁领域。研制超宽带馈源的难点在于增加馈源带宽的同时要保证天线的性能。许多超宽带天线都是采用与频率无关的螺旋结构和对数周期结构。这些天线依靠其结构由角度单独确定并且理论上与频率无关，于是天线的电结构尺寸不随频率改变，并具有相同的辐射特性。然而实际上天线的上限频和下限频分别受结构尺寸和材料的限制。本文使用的方案是将多个若干带宽的同轴波导嵌套在初始同轴波导内以实现宽频带，以每个内同轴波导依次外延的形式来降低反射损耗。馈源的每个同轴波导腔体用圆极化TE11模激励。

　　2　同轴波导馈源

　　同轴波导因为反射损耗的原因，在做面天线馈源时，通常使它工作于窄带宽、相应的低反射系数及低交叉极化状态。工作于TE11模的同轴波导做窄带馈源时，能有效提高天线的效率［1］，并在工作频带上有理想的辐射模式和一致的相位中心。

　　同轴波导内外半径比的变化使其在为某一频段设计波导尺寸时具有比圆波导更小的孔径尺寸和更宽的TE11模带宽。同轴波导圆极化TE11模带宽随内外波导半径比的变化而变化，为了满足宽频带，同轴波导的内外波导半径比必须相对小［2］。实际中采用外导体内半径a=7.90cm同轴波导进行实验，固定其外导体半径a，通过改变内导体半径b来改变内外同轴波导半径比，通过测量不同频点得到ka所对应反射损耗。测量的结果如图1所示。当同轴波导内外导体半径比减小时，虽然TE11单模传输的频带宽度增加，但是反射损耗也会随之增加。考虑到整个带宽的连续覆盖，在设计同轴波导馈源尺寸时采用了由Bird和James最早提出的一种在宽频带内降低同轴波导TE11模反射系数的简单方法［3］，即延长同轴波导的内导体，使之探出于外导体。在测量同轴内导体的外延对反射损耗的影响时采用外导体半径a=2.75cm，内导体半径b=1.10cm，内外波导半径比为2.50的同轴波导。通过改变内导体的外延量测得不同探出距离情况下随频率变化的反射损耗。结果如图2所示，对于一个同轴内外半径比为2.50的同轴波导在相应的工作带宽上，内导体外延后的TE11模反射损耗明显降低。但由于内导体的外延，导致交叉极化辐射增加并且相位中心轴向位移，从而会降低反射面天线的效率。所以在设计同轴波导半径尺寸和内导体探出距离时，采取了折衷方案。

　　3　超宽带嵌套同轴波导组合馈源

　　本文设计了一个四同轴波导腔体60∶1频率带宽（1～60GHz）的超宽带嵌套同轴波导组合馈源。表1和图3给出了超宽带嵌套同轴波导组合馈源的尺寸和结构，要求它在整个带宽范围内反射损耗低于-10dB。馈源的每个同轴波导腔采用水平方向、垂直方向两组空间正交的四个探针通过耦合产生圆极化TE11模，两组探针相位相差π/2，通过混合器来实现，如图4所示。该混合器包括功分器、移相器和宽带巴仑，是一个宽带匹配网络，用于实现功率分配、移相、平衡不平衡之间的转换以及阻抗匹配。在设计中，为了保证在整个超宽频带内的连续覆盖，四个同轴波导腔体依次嵌套；为了减小TE11单模传输的反射损耗和同轴波导间的互耦，内导体逐一外延。在整个带宽上为使各同轴腔体中TE11模和下一个高次模的有效隔离，设计时留有10%的带宽余量，同时也考虑了波导壁厚，并且在保证连续带宽的情况下，同轴内外半径比尽可能大，最小值也已达到2.50。

　　如图2所示，增加内导体的外延量会降低整个带宽上的反射损耗，但随之也增加了交叉极化并使各同轴腔体相位中心轴向位移。综合考虑以上因素，设计出的馈源相位中心位于同轴腔体1和腔体2 开孔的中间处。这样设计使得工作在高频端的同轴腔体1和2可以分别有1.5a1和1.1a2较大的内导体外延，而外部低频端的同轴腔体3和4分别设计了0.9a3和0.75a4相对小的探出距离。同时图6～图11给出了超宽带组合馈源各同轴波导腔体在若干采样频点处的E/H面方向图。实际测试中采用水平方向、垂直方向两组四个空间正交的探针在同轴波导中通过耦合产生圆极化TE11模，两组探针相位相差π/2。

　　4　结果与讨论

　　四腔体嵌套同轴波导组合馈源的反射损耗如图5。馈源1～8GHz频段（同轴腔体3和4）的反射损耗数据通过网络分析仪测量得到，其中反射损耗参考面为混合器前端，而8～60GHz频段（同轴腔体1和2）的数据则由有限元法仿真得到。从图5可以看出，外延嵌套同轴波导的反射损耗要比内波导不探出时明显降低。对于相邻的同轴波导，在每个同轴波导腔工作的低频端，同轴内波导的添加对该同轴外波导所覆盖的频段反射损耗有较小的影响，而外同轴会导致内同轴在所工作低频端的反射损耗产生振荡并使交叉极化增加，外延内导体减少了同轴波导腔体之间的相互耦合。对于相隔的同轴波导，由于有较宽的频带间隔，波导间的影响要小得多。在一个同轴波导腔体内，在高频端，同轴波导外导体的存在对反射系数有很小的影响；在低频端，外层波导和该腔体的相互耦合则会导致反射损耗的波动。而当频率增加甚至接近内嵌套波导TE11模的截至频率时，反射损耗会增加几个分贝。当工作频率降至任意2个相邻嵌套波导覆盖频率的10%的时候，交叉极化会导致反射损耗增大。即使考虑交叉极化的作用，实验和仿真得出的反射损耗值在整个工作频带上都低于-10dB。

　　文中优化设计并分析了超宽带嵌套同轴波导组合馈源。四个同轴波导腔体的嵌套形式是每个内导体依次外延，覆盖了60∶1的频率带宽（1～60GHz）。内导体的外延在整个带宽上显著地减小了反射损耗和波导间的相互耦合。嵌套的外部波导可以有效的扼制同轴的底端辐射。虽然内导体的外延也增加了交叉极化和馈源相位中心的轴向位移，但馈源在整个工作频段上仍保证了反射损耗小于-10dB。

　　参考文献

　　〔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)

摘自微波学报

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