超寬帶嵌套同軸波導(dǎo)組合饋源實驗研究

邱景輝　王汝征　宋朝暉

　　（哈爾濱工業(yè)大學(xué)電子與信息技術(shù)，哈爾濱 150001）

　　摘　要：超寬帶波導(dǎo)饋源在反射面天線中有著巨大的應(yīng)用潛力。本文分析設(shè)計了一個四腔體60∶1帶寬（1～60GHz）的超寬帶嵌套同軸波導(dǎo)組合饋源。文中詳細討論了饋源的性能，該饋源在整個工作頻帶內(nèi)有小于-10dB的反射損耗。饋源的每個同軸波導(dǎo)腔工作于圓極化TE11模。饋源的相關(guān)參數(shù)由實驗測量（1～8GHz）和有限元法仿真（8～60GHz）得到。

　　關(guān)鍵詞：超寬帶，同軸波導(dǎo)，饋源

　　1　引言��

　　高效超寬帶波導(dǎo)饋源在反射面天線中有著廣闊的應(yīng)用前景。它能替代多個窄帶天線饋源陣，用單一中心點波束代替非共心點波束群或用于雷達脈沖輻射等電磁領(lǐng)域。研制超寬帶饋源的難點在于增加饋源帶寬的同時要保證天線的性能。許多超寬帶天線都是采用與頻率無關(guān)的螺旋結(jié)構(gòu)和對數(shù)周期結(jié)構(gòu)。這些天線依靠其結(jié)構(gòu)由角度單獨確定并且理論上與頻率無關(guān)，于是天線的電結(jié)構(gòu)尺寸不隨頻率改變，并具有相同的輻射特性。然而實際上天線的上限頻和下限頻分別受結(jié)構(gòu)尺寸和材料的限制。本文使用的方案是將多個若干帶寬的同軸波導(dǎo)嵌套在初始同軸波導(dǎo)內(nèi)以實現(xiàn)寬頻帶，以每個內(nèi)同軸波導(dǎo)依次外延的形式來降低反射損耗。饋源的每個同軸波導(dǎo)腔體用圓極化TE11模激勵。��

　　2　同軸波導(dǎo)饋源

　　同軸波導(dǎo)因為反射損耗的原因，在做面天線饋源時，通常使它工作于窄帶寬、相應(yīng)的低反射系數(shù)及低交叉極化狀態(tài)。工作于TE11模的同軸波導(dǎo)做窄帶饋源時，能有效提高天線的效率［1］，并在工作頻帶上有理想的輻射模式和一致的相位中心。

　　同軸波導(dǎo)內(nèi)外半徑比的變化使其在為某一頻段設(shè)計波導(dǎo)尺寸時具有比圓波導(dǎo)更小的孔徑尺寸和更寬的TE11模帶寬。同軸波導(dǎo)圓極化TE11模帶寬隨內(nèi)外波導(dǎo)半徑比的變化而變化，為了滿足寬頻帶，同軸波導(dǎo)的內(nèi)外波導(dǎo)半徑比必須相對�。�2］。實際中采用外導(dǎo)體內(nèi)半徑a=7.90cm同軸波導(dǎo)進行實驗，固定其外導(dǎo)體半徑a，通過改變內(nèi)導(dǎo)體半徑b來改變內(nèi)外同軸波導(dǎo)半徑比，通過測量不同頻點得到ka所對應(yīng)反射損耗。測量的結(jié)果如圖1所示。當(dāng)同軸波導(dǎo)內(nèi)外導(dǎo)體半徑比減小時，雖然TE11單模傳輸?shù)念l帶寬度增加，但是反射損耗也會隨之增加�？紤]到整個帶寬的連續(xù)覆蓋，在設(shè)計同軸波導(dǎo)饋源尺寸時采用了由Bird和James最早提出的一種在寬頻帶內(nèi)降低同軸波導(dǎo)TE11模反射系數(shù)的簡單方法［3］，即延長同軸波導(dǎo)的內(nèi)導(dǎo)體，使之探出于外導(dǎo)體。在測量同軸內(nèi)導(dǎo)體的外延對反射損耗的影響時采用外導(dǎo)體半徑a=2.75cm，內(nèi)導(dǎo)體半徑b=1.10cm，內(nèi)外波導(dǎo)半徑比為2.50的同軸波導(dǎo)。通過改變內(nèi)導(dǎo)體的外延量測得不同探出距離情況下隨頻率變化的反射損耗。結(jié)果如圖2所示，對于一個同軸內(nèi)外半徑比為2.50的同軸波導(dǎo)在相應(yīng)的工作帶寬上，內(nèi)導(dǎo)體外延后的TE11模反射損耗明顯降低。但由于內(nèi)導(dǎo)體的外延，導(dǎo)致交叉極化輻射增加并且相位中心軸向位移，從而會降低反射面天線的效率。所以在設(shè)計同軸波導(dǎo)半徑尺寸和內(nèi)導(dǎo)體探出距離時，采取了折衷方案。��

　　3　超寬帶嵌套同軸波導(dǎo)組合饋源

　　本文設(shè)計了一個四同軸波導(dǎo)腔體60∶1頻率帶寬（1～60GHz）的超寬帶嵌套同軸波導(dǎo)組合饋源。表1和圖3給出了超寬帶嵌套同軸波導(dǎo)組合饋源的尺寸和結(jié)構(gòu)，要求它在整個帶寬范圍內(nèi)反射損耗低于-10dB。饋源的每個同軸波導(dǎo)腔采用水平方向、垂直方向兩組空間正交的四個探針通過耦合產(chǎn)生圓極化TE11模，兩組探針相位相差π/2，通過混合器來實現(xiàn)，如圖4所示。該混合器包括功分器、移相器和寬帶巴侖，是一個寬帶匹配網(wǎng)絡(luò)，用于實現(xiàn)功率分配、移相、平衡不平衡之間的轉(zhuǎn)換以及阻抗匹配。在設(shè)計中，為了保證在整個超寬頻帶內(nèi)的連續(xù)覆蓋，四個同軸波導(dǎo)腔體依次嵌套；為了減小TE11單模傳輸?shù)姆瓷鋼p耗和同軸波導(dǎo)間的互耦，內(nèi)導(dǎo)體逐一外延。在整個帶寬上為使各同軸腔體中TE11模和下一個高次模的有效隔離，設(shè)計時留有10%的帶寬余量，同時也考慮了波導(dǎo)壁厚，并且在保證連續(xù)帶寬的情況下，同軸內(nèi)外半徑比盡可能大，最小值也已達到2.50。��

　　如圖2所示，增加內(nèi)導(dǎo)體的外延量會降低整個帶寬上的反射損耗，但隨之也增加了交叉極化并使各同軸腔體相位中心軸向位移。綜合考慮以上因素，設(shè)計出的饋源相位中心位于同軸腔體1和腔體2 開孔的中間處。這樣設(shè)計使得工作在高頻端的同軸腔體1和2可以分別有1.5a1和1.1a2較大的內(nèi)導(dǎo)體外延，而外部低頻端的同軸腔體3和4分別設(shè)計了0.9a3和0.75a4相對小的探出距離。同時圖6～圖11給出了超寬帶組合饋源各同軸波導(dǎo)腔體在若干采樣頻點處的E/H面方向圖。實際測試中采用水平方向、垂直方向兩組四個空間正交的探針在同軸波導(dǎo)中通過耦合產(chǎn)生圓極化TE11模，兩組探針相位相差π/2。

　　4　結(jié)果與討論

　　四腔體嵌套同軸波導(dǎo)組合饋源的反射損耗如圖5。饋源1～8GHz頻段（同軸腔體3和4）的反射損耗數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)分析儀測量得到，其中反射損耗參考面為混合器前端，而8～60GHz頻段（同軸腔體1和2）的數(shù)據(jù)則由有限元法仿真得到。從圖5可以看出，外延嵌套同軸波導(dǎo)的反射損耗要比內(nèi)波導(dǎo)不探出時明顯降低。對于相鄰的同軸波導(dǎo)，在每個同軸波導(dǎo)腔工作的低頻端，同軸內(nèi)波導(dǎo)的添加對該同軸外波導(dǎo)所覆蓋的頻段反射損耗有較小的影響，而外同軸會導(dǎo)致內(nèi)同軸在所工作低頻端的反射損耗產(chǎn)生振蕩并使交叉極化增加，外延內(nèi)導(dǎo)體減少了同軸波導(dǎo)腔體之間的相互耦合。對于相隔的同軸波導(dǎo)，由于有較寬的頻帶間隔，波導(dǎo)間的影響要小得多。在一個同軸波導(dǎo)腔體內(nèi)，在高頻端，同軸波導(dǎo)外導(dǎo)體的存在對反射系數(shù)有很小的影響；在低頻端，外層波導(dǎo)和該腔體的相互耦合則會導(dǎo)致反射損耗的波動。而當(dāng)頻率增加甚至接近內(nèi)嵌套波導(dǎo)TE11模的截至頻率時，反射損耗會增加幾個分貝。當(dāng)工作頻率降至任意2個相鄰嵌套波導(dǎo)覆蓋頻率的10%的時候，交叉極化會導(dǎo)致反射損耗增大。即使考慮交叉極化的作用，實驗和仿真得出的反射損耗值在整個工作頻帶上都低于-10dB。

　　文中優(yōu)化設(shè)計并分析了超寬帶嵌套同軸波導(dǎo)組合饋源。四個同軸波導(dǎo)腔體的嵌套形式是每個內(nèi)導(dǎo)體依次外延，覆蓋了60∶1的頻率帶寬（1～60GHz）。內(nèi)導(dǎo)體的外延在整個帶寬上顯著地減小了反射損耗和波導(dǎo)間的相互耦合。嵌套的外部波導(dǎo)可以有效的扼制同軸的底端輻射。雖然內(nèi)導(dǎo)體的外延也增加了交叉極化和饋源相位中心的軸向位移，但饋源在整個工作頻段上仍保證了反射損耗小于-10dB。��

　　參考文獻��

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摘自 微波學(xué)報