用于高功率微波測量的圓極化微帶陣列天線

1、用于高功率微波測量的圓極化微帶陣列天線Circularly polarized microstrip array antenna applied tohigh power microwave measurementCHEN Peng1， 2， NING Hui2， JING Hong2 ， NIE Xin1 ， 2， MAO Congguang1， 2(1. State Key Laboratory of Intense Pulsed Radiation Simulation and Effect ， Xian 710024， China ；2. Northwest Institute of

2、Nuclear Technology ， Xi an 710024， China )：The polarization matching of measurement antenna has great impact on measurement accuracy while measuring the radiation field of high power microwave( HPM) . Acircularly polarized microstrip array antenna is introduced to improve the measurement accuracy. T

3、aking power divider as feed network， the axial ratio of betterthan 1 dB is acquired.Compared with circularly?polarizedmicrostrip antenna with non?array ， this method makes the axial ratio reduce by about 1 dB. When the array antenna is used to measure far field radiation of the linear polarized micr

4、owave ， the influence of polarizationmismatching on the measuring results is reduced from 13% to 3.6% approximately.Keywords： radiation field measurement； circularpolarization ； array antenna ； high power microwave0 引 言HPM畐射場測量是研究高功率微波輻射特性的重要手段和獲 得高功率微波輻射功率密度的主要途徑。 國內(nèi)外常采用線極化的 開口波導(dǎo) 1?2 或標(biāo)準(zhǔn)增益喇叭天線作為測量天

5、線。在實際測量 時，需要將開口波導(dǎo)或標(biāo)準(zhǔn)增益喇叭天線的極化方向與電磁場極 化方向?qū)?zhǔn)，否則將導(dǎo)致極化失配，降低測量精度。采用線極化測量天線進行 EMI 測量時，由于干擾信號極化方 向未知， 需在每個測量位置改變測量天線的極化方向， 以保證測 量結(jié)果的準(zhǔn)確性 3 。圓極化天線能夠接收任意極化方向的線極 化電磁波，可以在一定程度上減少由極化失配引起的測量誤差， 且不需事先確定待測信號的極化方向， 因此曾有人提出采用圓極 化對數(shù)周期陣子天線測量電磁干擾的方法 4 。圓極化天線在HPM畐射場測量中的應(yīng)用較少，本文利用微帶 天線易于組陣的特點，根據(jù)特定的方法組成微帶圓極化天線陣 列，減小了軸比，提高了圓

6、極化純度，為 HPM畐射場測量提供了 一種新的測量方式。1 圓極化微帶天線設(shè)計與研制1.1 矩形圓極化微帶天線矩形微帶天線的設(shè)計尺寸 5 如式（ 1），式（ 2）所示：W=c2fr 葉12-12（1）L=c2fr e-2 I （2）式中：W為矩形寬度；L為矩形長度；fr為諧振頻率； c 為光速； r 為微帶介質(zhì)板相對介電常數(shù)； I 為邊緣效 應(yīng)引起的等效長度變化； e 為等效介電常數(shù)。在矩形微帶天線對角線附近， 利用同軸線饋電可以激勵起方 向垂直，相位差為 90的兩個線極化波，從而實現(xiàn)天線的圓極 化設(shè)計。 利用計算軟件對饋電點位置和貼片尺寸進行優(yōu)化， 并根 據(jù)圓極化微帶天線的工作頻段， 得到矩

7、形微帶天線的實際尺寸和 饋電點位置。 根據(jù)計算得到的天線參數(shù)， 經(jīng)加工得到圓極化矩形 微帶天線的實物圖如圖 1 所示。對該天線軸比進行測量，得到天線的軸比約 2 dB 。用于測 量時，2 dB 的軸比引入的測量誤差較大，因此必須考慮進一步 減小軸比，提高測量精度。1.2 圓極化微帶陣列天線設(shè)計原理假設(shè)某 n 元旋轉(zhuǎn)陣列由 n 個圓極化天線單元組成， 各天線 單元距天線陣中心距離相等。天線陣組成形式如圖 2所示。其中 ?pm 為天線單元的旋轉(zhuǎn)角度。天線單元的遠場輻射場 強可表示為：Em（ x ，y） =am（ x，y） xm+jbm（ x，y） ym （ 3）若amz bm 天線為橢圓極化。則天

8、線陣的遠場輻射場強可表示為：Etotal (x，y)=m=1ME(mx，y)=m=1Ma(mx，y)xm+jbm (x，y)ym=m=1Ma(1x，y)jb1 (x，y)cos(n?pm)sin (n?pm) -sin (n?pm) cos (n?pm xlyl x exp (j?em-j 書 m)(4)式中：?pm為天線單元旋轉(zhuǎn)角度；?em為天線單元的饋電 相位；書m為第m個天線單元的相位延遲，且書m=( m-1) kOdmsin 0 m p為某一正整數(shù)；n為天線單元工作模式的個 數(shù)。將矩形圓極化微帶天線按一定旋轉(zhuǎn)角度組合在一起， 并饋入 不同相位的信號，當(dāng)天線的旋轉(zhuǎn)角度及饋電相位 6 滿足

9、式( 3) 時，天線陣的軸比遠遠小于其組成單元的軸比。?em= (m-1) p n M, ?pm= (m-1) p n nM, K m M ( 5)在天線陣主軸方向，將式( 5)代入式( 4)得到：Etotal=m=1Ma1 (0, 0) cos (m-1) p n M-jb1 (0, 0) sin (m-1) p n M?cos (m-1) p n M+jsin (m-1) p n M?x1+a1 (0, 0) sin (m-1) pn M+jb1 (0, 0) cos (m-1) p n M?cos(m-1) p n M+jsin(m-1) p n M?y1 (6)令a =-p n M B

10、 =pn M 并根據(jù)三角公式：m=1Msin ( a +mB ) =sinM B 2sin B 2sin a +12 (M+1B m=1Mco(s a +mB ) =sinMB 2sin B 2cosa +12(M+1)B (7)得到：Etotal=M2?a1 (0，0) +b1(0，0) ?(x1+jy1 ) +12a1(0， 0) -b1 (0, 0) ?(x1-jy1 ) ?sin (p n ) sinp n M?expjM-1Mpn (8)式（ 8）即為滿足式（ 5）中旋轉(zhuǎn)角度及饋電相位關(guān)系的圓極 化微帶天線陣主軸方向遠場輻射場表達式。 其中總電場分為兩部 分：第一部分是純圓極化場，第

11、二部分是交叉極化場，而第二部 分可以通過使a=b或者適當(dāng)選擇p與M消除。由于設(shè)計純圓 極化（a=b）的天線單元較難，因此通過適當(dāng)選擇 p與M消 除交叉極化， 從而獲得軸比較小的圓極化天線陣。 本文中圓極化 天線陣選擇的參數(shù)為 p=2， M=4， 陣列形式如圖 3 所示。利用計算軟件對天線陣進行數(shù)值模擬并優(yōu)化設(shè)計尺寸， 根據(jù) 設(shè)計尺寸加工了圓極化微帶天線陣列，如圖 4 所示。1.3 圓極化微帶陣列天線饋電電路由設(shè)計原理可知， 天線陣的饋入信號應(yīng)幅度相等、 相位差為 90，采用一分四路功分器產(chǎn)生滿足要求的輸入信號， 通過同軸 電纜分別饋入天線陣的 4個陣元，功分器如圖 5 所示。2 實驗結(jié)果與分析圓極化天線的軸比測試實驗布局如圖 6 所示。 實驗中， 開口 波導(dǎo)作為發(fā)射天線， 圓極化微帶天線作為接收天線。 為減少地面 反射，開口波導(dǎo)一側(cè)鋪設(shè)吸波材料。 發(fā)射天線與接收天線連接矢 量網(wǎng)絡(luò)分析儀，在設(shè)計頻段中選擇矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的掃描頻點， 設(shè)置掃描時間為 120 s 。掃描過程中開口波導(dǎo)隨步進電機連續(xù)旋 轉(zhuǎn)，掃描完成后矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的 S21 參數(shù)變化幅度即為圓極 化接收天線的軸比。從圖 7可以看出，圓極化微帶陣列天線的實測軸比小于