0 引言

    Pillbox天線又稱弧形、弓形拋物面天線等，它是由兩端平行的金屬板和封閉在中間的短柱形拋物面構(gòu)成^[1]。實(shí)際應(yīng)用中多為雙層的pillbox天線，它采用雙層結(jié)構(gòu)，用平行板將天線腔體分為線性輻射層和饋源層，天線后部用彎折180°的平行條帶代替單層的反射器進(jìn)行連接。由于饋源和輻射不在同一平面內(nèi)，因此很好地克服了單層結(jié)構(gòu)帶來(lái)的饋源失配和高副瓣的缺陷。雙層pillbox天線設(shè)計(jì)時(shí)，關(guān)鍵是要解決初級(jí)饋源的設(shè)計(jì)和多層腔體之間的傳輸問(wèn)題。對(duì)于初級(jí)饋源，傳統(tǒng)的做法是在拋物柱面的焦線上放置一個(gè)小喇叭或開(kāi)口波導(dǎo)作為激勵(lì)，如圖1所示，其主要問(wèn)題是受激勵(lì)照射寬度的限制只能用于較長(zhǎng)焦距的天線中，輻射口面中心電場(chǎng)幅度與兩端相差較大，降低了天線口面的輻射效率，結(jié)構(gòu)上也不夠簡(jiǎn)潔^[2-3]。針對(duì)這種現(xiàn)象，本文研究設(shè)計(jì)了一種新型的饋源腔結(jié)構(gòu)，將傳統(tǒng)饋源腔前端封閉，在拋物柱面反射板焦點(diǎn)位置用同軸探針對(duì)饋源腔進(jìn)行饋電，研究了封閉端副反射板不同形狀對(duì)饋源腔場(chǎng)分布的影響，以及饋電探針的位置、長(zhǎng)度對(duì)駐波的影響，優(yōu)化了一種蝶形結(jié)構(gòu)的饋源腔，增加了饋源的照射角度，提高了口面的輻射效率。

1 雙層pillbox天線分析

    本文研究的雙層pillbox天線結(jié)構(gòu)如圖2所示。天線采用多層結(jié)構(gòu)，上層為饋源腔，下層為輻射腔，由一個(gè)環(huán)形彎曲的拋物柱面反射板來(lái)連接。饋電探針位于饋源層拋物柱面反射板的焦點(diǎn)位置，這樣從饋源發(fā)出的柱形波耦合到輻射層后，經(jīng)過(guò)拋物面反射板的反射，轉(zhuǎn)化為同相平面波，在輻射層的天線口面向空間輻射。

    不同于其他的開(kāi)放系統(tǒng)，這類(lèi)平行板天線可以傳播多種模式的電磁波，其支持自由傳播模式，即TEM波，當(dāng)傳播TEM波時(shí)，電場(chǎng)矢量垂直于平板，相速和波長(zhǎng)與自由空間一致；除此之外，TE、TM波也可以傳播，其傳播特性與矩形波導(dǎo)的情形一致?？梢愿鶕?jù)金屬板之間的距離和饋源激勵(lì)的波型確定金屬板之間可能存在的波型。當(dāng)系統(tǒng)工作在TE₁時(shí)，電場(chǎng)矢量不在垂直于平行板，而是與平行板平行，幅度沿平板法線按照sin(x/h)函數(shù)變化，h為板間距，此種模式傳播的條件為自由空間波長(zhǎng)滿足以下條件：

    對(duì)于下一高次模的截止條件為：h<λ。

    pillbox天線的各種結(jié)構(gòu)參數(shù)以及方向圖的計(jì)算與柱形拋物面天線類(lèi)似，這里不在累述，設(shè)計(jì)主要考慮三方面的問(wèn)題。

    （1）最大增益的f/d

    根據(jù)拋物柱面理論，pillbox天線最佳口徑角度φ為下式取最大值時(shí)的角度：

其中，增益函數(shù)G_f(φ)是饋源在平行板間的輻射場(chǎng)，而不是自由空間中的輻射場(chǎng)。其與線源的柱形波錐一樣，是個(gè)二維函數(shù)。

    （2）阻抗匹配

    此類(lèi)平行板系統(tǒng)的阻抗失配來(lái)源主要體現(xiàn)在拋物柱帶和口面的反射。拋物柱帶引起的反射系數(shù)可以近似拋物面的情況，只是在平行板之間傳播的是柱形波，而不是球形波。反射系數(shù)可以表示為：

式中，ds為拋物柱帶的單位長(zhǎng)度。

    （3）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

    對(duì)于TEM工作模式，只要能夠保證板間距離h<λ/2，并不存在嚴(yán)重的模式控制問(wèn)題，除非對(duì)于較大尺寸腔體，才需要特別的加固工作。本文設(shè)計(jì)的pillbox天線，由于工作在TEM模式下，所以只是在腔體中間放一泡沫塊來(lái)防止腔體變形。測(cè)試證明，由于泡沫塊的介電常數(shù)很小，同時(shí)尺寸也很小，對(duì)腔體內(nèi)場(chǎng)的傳播不會(huì)造成影響。

    如圖2所示，饋電探針通過(guò)小孔插入由平行板構(gòu)成的饋源腔，插入深度為d，同軸線外導(dǎo)體跟平行板金屬壁連接。探針在平行板饋源腔中相當(dāng)于一個(gè)小天線，將同軸線中TEM模的電磁場(chǎng)在饋源腔中輻射，其電場(chǎng)的力線與平行板系統(tǒng)中的方向一致，從而激勵(lì)起TEM模。同時(shí)還有許多高次模，但平行板間距尺寸設(shè)置為只能傳輸TEM模，因此高次模不能傳輸。同時(shí)，由于饋源腔前端被副反射板封閉，使能量只向饋源腔的一端傳輸，探針距副反射板最近位置在L≈λ/4處。

    如圖3所示，探針部分可以等效為一電抗jX，當(dāng)探針較淺時(shí)為感抗。同軸線與矩形波導(dǎo)交界處用一變壓器等效。X與n由探針深度和同軸橫截面尺寸決定，所以適當(dāng)?shù)卣{(diào)整反射板距探針的距離L和探針的深度就可達(dá)到匹配^[4]。

2 蝶形饋源腔設(shè)計(jì)

    本文研究的饋源腔二維尺寸坐標(biāo)如圖4所示。探針位于拋物面焦點(diǎn)F處，從饋電點(diǎn)到拋物面的矢量為r，蝶形反射板的輪廓線并不是光滑曲線，而是由N個(gè)點(diǎn)連接而成的折線段，第i個(gè)點(diǎn)的位置矢量為r_i，對(duì)應(yīng)坐標(biāo)系上的點(diǎn)為(x_i，y_i)，設(shè)置折線段上的點(diǎn)(x_i，y_i)為優(yōu)化變量，以寬帶、寬角照射為目標(biāo)，對(duì)曲線進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

    采用基于矢量有限元算法對(duì)蝶形饋源腔進(jìn)行研究^[5]。由于這一部分的研究關(guān)注的是不同副反射板形式對(duì)饋源腔場(chǎng)分布和駐波特性的影響，而不是腔體后部饋源腔與輻射腔的耦合問(wèn)題，因此只對(duì)饋源腔進(jìn)行單獨(dú)計(jì)算。為了模擬實(shí)際傳輸特性，在腔體后部設(shè)置理想匹配層（PML）邊界來(lái)吸收電磁波能量^[6-7]。蝶形饋源腔分析計(jì)算模型如圖5所示。

    在輻射口徑相等的前提下，分別計(jì)算了采用直線型副反射板、V型副反射板和蝶形副反射板3種不同情況下的饋源腔體內(nèi)場(chǎng)分布和阻抗特性。

    如圖6所示，在腔體內(nèi)部由于平行板的限制電場(chǎng)呈現(xiàn)為柱形波。探針和副反射板可以等效位于有限大金屬板附近的單極子天線的輻射系統(tǒng)，由于副反射板的反射作用，電磁波只向饋源腔的后端傳輸，由于腔體后端設(shè)置了PML理想吸收邊界，電磁波可以無(wú)反射地通過(guò)。圖6（a）中，直線型副反射板饋源腔內(nèi)，電磁波的照射范圍角度最小，這樣耦合到輻射腔后，在輻射口面兩端，場(chǎng)強(qiáng)分布比中間位置就會(huì)低很多，從而導(dǎo)致整個(gè)輻射口面的效率降低。為了展寬饋源腔的照射角度，將副反射板形狀調(diào)整為V字型，如圖6（b）所示，饋源照射角度有所提高，按照?qǐng)D4的模型以照射角度和回波損耗為優(yōu)化目標(biāo)，得到如圖6（c）所示的蝶形饋源腔。

    3種饋源腔照射角度及在Ku頻段上的駐波特性如圖7所示。直線型腔體-3 dB波束寬度為119°，V型腔-3 dB波束寬度為128°，蝶形腔-3 dB波束寬度為160°。同時(shí)，駐波比其他兩種形式要好，可見(jiàn)采用蝶形反射板的饋源腔場(chǎng)能夠?yàn)樘炀€輻射口面提供更為均勻的電場(chǎng)分布，從而提高天線增益，也證明了除了反射形式以外的腔體結(jié)構(gòu)尺寸的合理性和寬帶特性。

3 結(jié)論

    本文采用矢量有限元法結(jié)合PML邊界研究了一種新型的雙層pillbox天線饋源腔，采用前端封閉的腔體結(jié)構(gòu)，單極子探針饋電，分析了前端副反射板不同形狀對(duì)饋源腔電場(chǎng)分布的影響，以寬波束照射和低駐波為目標(biāo)，優(yōu)化設(shè)計(jì)了一種蝶形的饋源腔，提高了饋源的照射角度和天線口面輻射效率，并具有較寬的頻帶特性，為雙層pillbox天線提供了一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔、性能優(yōu)越的饋源形式。

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