沈永春，尹長彬，朱 鵬，栗秀清，杜洪起

（天津七六四通信導(dǎo)航技術(shù)有限公司，天津 300210）

0 引言

某型地面塔康天線為幅控式電子掃描天線，其水平饋電功分PIN 調(diào)幅器與AT-100 型天線基本相同；但該型天線陣元輻射器為垂直半波對稱振子式，天線每層圓環(huán)陣的振子間水平互耦因具有對稱性，故互耦影響小些；但圓環(huán)陣層間垂直互耦影響很大，限制了圓環(huán)陣層數(shù)增加，只能為兩層，故垂直增益系數(shù)小，使作用距離較近，也因互耦影響使方位精度較低。為此，將該型天線垂直陣元改為脊波導(dǎo)窄邊開槽式陣元，力求克服該型地面塔康天線的缺點(diǎn)。

1 脊波導(dǎo)的特性

與普通波導(dǎo)相比，脊波導(dǎo)具有很寬的單模傳輸帶寬、更長的主模截止波長、較小的尺寸和較低的特性阻抗等特性。常用于寬頻帶測試系統(tǒng)、寬頻帶傳輸系統(tǒng)及脊波導(dǎo)縫隙天線等。本文采用雙脊形波導(dǎo)。

1.1 脊波導(dǎo)截止波長λc 值超過矩形波導(dǎo)截止波長的二倍

設(shè)想在脊波導(dǎo)內(nèi)有一個(gè)TEM 平面波在寬邊上并在兩窄邊間多次折射縱向傳播，形成縱向傳播的TE10波。當(dāng)TEM 平面波的波長λ增加到λc值時(shí)，該TEM 停止折射縱向傳播，也停止形成TE10波。TEM 平面波變?yōu)樵诩共▽?dǎo)橫截面的兩窄邊間來回反射形成純駐波諧振狀態(tài)，可視為此時(shí)TEM 平面波的波長λc為截止波長。

圖1所示為純駐波狀態(tài)是“半波長”式諧振狀態(tài)。根據(jù)文獻(xiàn)[1]上篇1-4 節(jié)，脊形波導(dǎo)的表1-4 脊形波導(dǎo)（H10波）截止波長表[1]，當(dāng)：

圖1 雙脊波導(dǎo)內(nèi)橫截面尺寸及橫截面半波長橫向諧振系統(tǒng)的純駐波狀態(tài)

這樣可推想，脊波導(dǎo)等效寬邊：

1.2 脊波導(dǎo)等效阻抗Ze1 遠(yuǎn)小于相應(yīng)矩形波導(dǎo)等效阻抗Ze

若令相應(yīng)矩形波導(dǎo)波阻抗：

并令相應(yīng)矩形波導(dǎo)等效阻抗：

則脊波導(dǎo)等效阻抗為：

關(guān)于脊波導(dǎo)等效阻抗Ze1≈ 150Ω 與特性阻抗50 Ω 器件匹配連接，在脊波導(dǎo)垂直陣元輸入端采用耦合環(huán)激勵(lì)，用調(diào)整耦合環(huán)位置和環(huán)面積方法，使耦合環(huán)輸入端阻抗Zλ接近50 Ω。

2 脊波導(dǎo)窄邊開槽垂直陣元相鄰槽間輻射場的相位關(guān)系

脊波導(dǎo)內(nèi)TE10波波導(dǎo)波長為：

脊波導(dǎo)TE10波截止波長λc增加，使波導(dǎo)波長λg減小，也使相鄰槽間距值減小，垂直陣元高度降低。

當(dāng)λc=75 cm 時(shí)，λ與λg對應(yīng)關(guān)系見表1。

表1 λ 與λg 對應(yīng)關(guān)系（λc=75 cm）

在文獻(xiàn)[1]和[2]中，參看矩形波導(dǎo)內(nèi)TE10波的磁場結(jié)構(gòu)圖和相應(yīng)的波導(dǎo)內(nèi)壁表面電流結(jié)構(gòu)圖[1-2]可以看出，選擇相鄰槽間距是為了在工作波段內(nèi)能保持相鄰槽口輻射場矢量空間相位差Φs= π，也使波導(dǎo)內(nèi)TE10波沿縱向傳播在相鄰槽間產(chǎn)生的以上槽口為相位基準(zhǔn)點(diǎn)的超前時(shí)間相位差為：

相鄰槽口由饋電產(chǎn)生的以上槽口為相位基準(zhǔn)點(diǎn)的總相位差為：

這樣，以上槽口為相位基準(zhǔn)點(diǎn)的相鄰槽輻射場在空間觀測點(diǎn)的行程滯后相位差為：

式（11）參考圖2可推知。以相鄰槽上槽口為相位基準(zhǔn)點(diǎn)的相鄰槽輻射場在空間觀測點(diǎn)產(chǎn)生的平面波相位差為：

即：

3 垂直陣元垂直方向圖和槽傾斜角及垂直效率

由圖2可看出，由下對上而言，各槽口的相位差關(guān)系為（n-1）Φt和（n-1）ΦS是超前的，而（n-1）Φr是滯后的；因此當(dāng)垂直陣元的相位基準(zhǔn)點(diǎn)選擇在第1 槽口處時(shí)，對第1 槽以上的各槽而言，應(yīng) 取 負(fù)（n-1）ΦS和負(fù)（n-1）Φt，應(yīng)取正（n-1）Φr；故各槽相位差分布為：

各槽口的等效激勵(lì)電流來源于波導(dǎo)內(nèi)TE10波高頻信號，在各槽口激勵(lì)起的等效激勵(lì)電流為令其振幅In分布為：

I1=0.3，I2=0.4，I3=0.5，I4=0.6，I5=0.65，I6=0.7，I7=0.75，I8=0.8，I9=0.83，I10=0.85，I11=0.87，I12=0.9，I13=0.93，I14=0.96，I15=1

在計(jì)算垂直方向圖中使用式（17）～式（21）。

圖2 15 個(gè)槽垂直陣元相位關(guān)系

f1是θ的函數(shù)，故Ag是θ的函數(shù)，Ag是高頻信號初相位角的一部分，即空間觀測點(diǎn)接收到的高頻信號可表示為：

各槽自身垂直方向函數(shù)為：

則總垂直方向函數(shù)E總（θ）為：

令F1（θ）Esm最大值為Emax，則總垂直方向函數(shù)的歸一化垂直方向函數(shù)E1為：

利用式（27）計(jì)算出的歸一化垂直方向圖如圖3所示。

計(jì)算垂直方向性系數(shù)D利用下面公式，由于只在垂直陣面的正面輻射信號，故D的表示式為：

通過計(jì)算得到：

D= 30.6，Db= 10log1（0D）- 2.15 dB =12.71 dB

在計(jì)算出圖3垂直方向圖和垂直方向性系數(shù)Db值后，就可確定所選擇等效激勵(lì)電流振幅分布是合適的，下面計(jì)算各槽的歸一化輻射電導(dǎo)gn值和槽傾斜角γn值及垂直效率η值。

圖3 垂直陣元的歸一化垂直方向圖

利用前面選定的各In值，按gn遞推公式計(jì)算gn的值，先取g15=0.17，遞推出g14到g1各值。根據(jù)各gn值利用文獻(xiàn)[1]的圖2-47 曲線[1]查出各γn值，gn值和γn值對應(yīng)關(guān)系見表2。

計(jì)算可得：

表2 gn 值與γn 值對照表

垂直增益系數(shù)G有：

與半波對稱振子相比的垂直增益系數(shù)Gb為：

4 垂直陣元垂直方向圖主波束最大值指向角θmax 值分析

垂直方向函數(shù)決定了垂直方向圖，各槽自身垂直方向函數(shù)式（25）F1（θ）的垂直波束很寬，可略去它對θmax值的影響，θmax值主要由垂直方向函數(shù)的陣函數(shù)式（21）Es（θ）的ESC和ESS來決定。在Es（θ）中包括式（19）Esc和式（20）Ess，而Esc和Ess中包括式（17）Fn，并且Fn包含式（18）f1，故實(shí)際上利用式（18）f1的值與仰角θ值的關(guān)系決定θmax值。

對于λ0，當(dāng)θ=0°時(shí)，f1=2π，ESS=0，ESC=11.04=主波束最大值，即λ0時(shí)的θ=θmax=0 °。

對于λmax，使f1=2π，ESS=0，ESC=主波束最大值時(shí)的sinθ=-0.141185,則θ=θmax=arcsin（-0.141185）=-8.1164 °。

對于λmin，使f1=2π，ESS=0，ESC=主波束最大值時(shí)的sinθ=0.11085,則θ=θmax=arcsin（0.11085）=6.3643 °。

這就是說，工作波長變化，垂直主波束最大值指向角θmax變化；若θmax為正值時(shí)，可把垂直陣元向前傾斜，達(dá)到合適的主波束上撬角；若θmax為負(fù)值時(shí)，可把垂直陣元向后傾斜，達(dá)到合適的主波束上撬角。在主波束最大值方向上，ESS=0，使輻角Ag=0。

5 相鄰槽輻射場交叉極化的分析

在脊波導(dǎo)窄邊開傾斜角γ值的斜槽，相鄰槽間輻射場參照圖4所示。

用圖4中的某一個(gè)垂直陣元對單一垂直陣元上下槽間輻射場交叉極化進(jìn)行分析，設(shè)脊波導(dǎo)內(nèi)傳播TE10波，上下相鄰槽間距d=λg0/2，各槽輻射場為法向輻射場為垂直極化有用分量和無用水平交叉極化分量，這是空間矢量，的幅值又是時(shí)間τ的函數(shù)[4]。

圖4 分析交叉極化示意圖

在槽傾斜角|±30 °| 的情況下，令上下兩相鄰槽中，下者為1 號槽，上者為2 號槽。當(dāng)1 號槽的γ為正值時(shí)。令的場幅值為：

則，1 號槽口的的場幅值為：

1 號槽口的場幅值為：

波導(dǎo)內(nèi)TE10波經(jīng)過λg0/2 距離傳播到上方的γ為負(fù)值的2 號槽口處時(shí)刻TE10波場相位滯后量為ωT/2（其中T為高頻信號周期，則此時(shí)刻2 號槽口的法向的場幅值為：

2 號槽口的場幅值為：

故在|+γ|=|-γ|數(shù)值相等的情況下，1 號槽口處和2 號槽口處，場幅值同相疊加，場幅值同相疊加，而場幅值反相抵消。

根據(jù)文獻(xiàn)[2]圖8.7（a）和圖8.18 所繪制圖5（a）垂直E面方向圖[2]，半功率點(diǎn)寬度約150°，故有必要做上述分析。

圖5 單槽自身方向圖

下面進(jìn)行多個(gè)垂直陣元并排間交叉極化分析，由圖4可看出，每個(gè)垂直陣元的上下相鄰槽傾斜角方向相反和并排相鄰垂直陣元的對應(yīng)槽傾斜方向相反，從矢量方向考慮有交叉極化的抑制作用。但深入分析并排相鄰垂直陣元間水平交叉極化有困難，這是因?yàn)椴⑴糯怪标囋獌?nèi)縱向傳播的TE10波間不存在水平相位差的量。

為此轉(zhuǎn)為討論水平相鄰槽間交叉極化幅度大小，分兩方面進(jìn)行討論：第一，根據(jù)文獻(xiàn)[2]的圖8.7（b）和圖8.19[2]繪制的圖5（b）水平H面方向圖，其半功率點(diǎn)波束寬度約為70°，單側(cè)寬度約35 °，這樣使并排相鄰槽間水平互耦很??；第二，無用水平交叉極化分量與有用垂直極化分量比值小到一定程度，交叉極化場不影響使用。

例如：γ=|±15°|時(shí)，

又如γ=|±25°|時(shí)，

交叉極化仍影響不大，從第一方面和第二方面綜合考慮，本垂直陣元方案是可行的。

6 用36 個(gè)脊波導(dǎo)窄邊開槽垂直陣元組成的新型地面塔康圓柱面天線

新型地面塔康圓柱面天線直徑約1.7 m，高度約2.4 m，AT-100 型天線高度約3.1 m[3]。某型幅控塔康地面圓柱陣的水平增益系數(shù)與半波對稱陣子相比的數(shù)值為1.06 dB，在這里借用。

在垂直陣元輻射效率0.6226 的情況下，在前面已計(jì)算出垂直陣元的與半波對稱陣子相比的垂直增益系數(shù)Gb=10.65 dB，故新型圓柱天線陣的總增益系數(shù)為Gb總=1.06 dB+10.65 dB=11.71 dB，這是計(jì)算數(shù)據(jù)，實(shí)測值估計(jì)約9 dB，AT-100 型天線要求總增益系數(shù)≥8 dB[3]。

新型幅控圓柱面天線陣的水平方向圖形成原理與AT-100 基本相同[3]。

由前面第5 節(jié)分析可知，垂直陣元中的上下相鄰槽間垂直交叉極化可抵消，并根據(jù)圖5（b）水平H面方向圖波束較窄，使并排相鄰垂直陣元間水平互耦很小，故推想新型塔康天線能克服原塔康天線的缺點(diǎn)[6]。

7 結(jié)束語

在本文中，討論的新型幅控高增益圓柱面天線，在國內(nèi)尚屬先例，我們進(jìn)行的分析和計(jì)算，有不妥之處希望讀者指正。

在本研制項(xiàng)目中，我們感到還需解決在塔康寬工作波段內(nèi)的性能，首先是脊波導(dǎo)垂直陣元的垂直主波束仰角隨波長變化的變化量最大7.5°，為了在工作波段內(nèi)都能保證最佳作用距離，在圓柱陣內(nèi)圓筒空間加裝控制36 個(gè)垂直陣元同步改變上撬角的機(jī)械機(jī)構(gòu)，該機(jī)械機(jī)構(gòu)受控制信號自動(dòng)控制。