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《西南交通大学》 2010年
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螺旋阵列天线作为高功率微波馈源的可行性研究

李立哲  
【摘要】: 随着高功率微波技术的不断发展,高功率微波天线作为高功率微波系统终端体现的作用日益受到人们的重视。在诸多的高功率微波辐射技术中,采用高功率微波馈源照射反射面天线进行辐射是一种重要的形式,它可以产生很高的增益,在一些高增益应用场合中得到了广泛的使用。在这一技术路线中,高功率微波馈源是其中的关键环节。目前常用的高功率微波馈源主要有主模喇叭馈源、多模喇叭馈源、多模同轴馈源和喇叭阵列馈源,它们在各自相应的场合得到了应用,但是都存在着一定的缺点。高功率径向线螺旋阵列天线是一种以短螺旋作为辐射单元,采用径向线作为馈电波导的阵列天线,已有的研究表明,它具有功率容量高、轴向尺寸小、辐射波束旋转对称等优点,根据阵列天线的特点,它还可以通过对单元激励进行调制实现波束赋形,从而产生与反射面天线更加匹配的波束,提高反射面天线的口径效率。因此,螺旋阵列天线应用于高功率微波馈源领域将有其独特的优势,基于这一背景,论文研究了螺旋阵列天线用作高功率微波馈源的可行性。 具有稳定的相位中心是反射面天线对馈源的基本要求之一,为验证螺旋阵列天线作为馈源的可行性,有必要对它的相位中心进行研究。论文首先以中心频率9.4GHz、两圈18单元,采用径向线馈电的螺旋阵列天线为例,使用移动参考点法理论计算了其相位中心,并在此基础上进行了数值模拟,模拟结果与理论计算结果基本吻合。研究结果表明,该天线在15dB波束范围内,两个主平面相位方向图的偏差小于5°。因此,径向线螺旋阵列天线在一定的波束范围内存在稳定的相位中心,满足反射面天线对馈源相位中心的要求。另外,这种计算螺旋阵列天线相位中心的方法也可以用于更多圈的螺旋阵列天线以及幅度和相位调制后的螺旋阵列天线。 在上述研究的基础上,论文具体设计了一个工作于X波段的螺旋阵列馈源。为了利用阵列天线可以对单元激励进行调制的优点,考虑到平顶赋形波束可以匀化辐射空间一定高度处的场强,从而有望提高功率容量,并且与相同波束宽度的笔形波束照射同一反射面相比会提高反射面天线的口径效率的优点,论文采用粒子群算法进行了波束赋形的研究,得到了辐射38°平顶波束的螺旋阵列天线。之后,模拟了赋形后螺旋阵列天线的幅度和相位方向图,研究了其波束形状,相位中心,研究结果表明:螺旋阵列天线可以产生旋转对称的主波束,具有较低的副瓣,具有稳定的相位中心。 论文将所设计的螺旋阵列天线馈源与具有相同波束宽度的多模圆锥喇叭进行了比较分析,两者都具有稳定的相位中心,螺旋阵列天线作为馈源还具有以下优点:1)螺旋阵列天线的横向和纵向尺寸远小于多模圆锥喇叭;2)螺旋阵列天线波束的等化性优于圆锥喇叭;3)螺旋阵列天线可以通过对各单元的激励调制产生平顶的波束,与具有相同波束宽度的多模圆锥喇叭照射同一个反射面时,理论上该馈源会使反射面天线的口径效率提高。 论文中所设计的螺旋阵列天线的副瓣仍然较高,而且幅度的锥削比较严重,这些是有待进一步研究解决的问题。
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