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《電子科技》2014年第五期

1在大功率相控陣饋電網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用

相控陣傳統(tǒng)的饋電網(wǎng)絡(luò)為一部發(fā)射機(jī)連接一個(gè)天線陣元，示意圖如圖2所示。在常規(guī)的相控陣設(shè)計(jì)中，柵瓣是不允許出現(xiàn)的，因?yàn)樗拗屏讼嗫仃嚨男阅埽瑬虐攴逯挡怀霈F(xiàn)在可見的條件［5］是。其中，d為陣元間距;θ為天線陣掃描角。可見，為使天線陣不出現(xiàn)柵瓣，陣元間距越小越好。但是，隨著陣元間距的減小，天線陣元之間的互耦影響會(huì)越來越大。在圖2傳統(tǒng)的饋電模式中，天線陣的互耦影響會(huì)導(dǎo)致陣元阻抗特性變得不穩(wěn)定，陣元天線駐波比增大，從而導(dǎo)致反射功率增大，有時(shí)會(huì)引起發(fā)射機(jī)無法正常工作，而只要有一路發(fā)射機(jī)無法正常工作整個(gè)相控陣就無法正常工作，所以在傳統(tǒng)饋電模式下，相控陣的設(shè)計(jì)必須嚴(yán)格平衡柵瓣和互耦之間的關(guān)系，進(jìn)行折中設(shè)計(jì)，有時(shí)會(huì)不得不降低相控陣天線的電氣性能。。但在帶有功分器的饋電模式中，天線陣互耦的影響會(huì)有所減弱。在圖3中，天線互耦引起陣元天線阻抗不一致，從而隔離電阻R1、R2和R3上有電流通過，進(jìn)而消耗功率。R1上消耗功率為天線1和天線2反向功率的差值的一半，R2上消耗功率為天線3和天線4的差值功率的一半，R3上消耗功率為天線1和天線2的合路端與天線3和天線4的合路端的反向功率的差值的一半。由式(3)可以看到，在帶有功分器的饋電模式中，天線的反向功率有一部分被隔離電阻吸收，并且在發(fā)射機(jī)端口的總的發(fā)射功率是四路發(fā)射功率經(jīng)過被隔離電阻吸收后又疊加在一起的，也就是說即便其中有一路發(fā)射功率過大，但是經(jīng)過隔離電阻吸收以及和其他幾路疊加后，其總反射功率還是有可能在發(fā)射機(jī)的可承受范圍之內(nèi)，仍然可以正常工作。即在傳統(tǒng)饋電模式中，若有一路天線駐波比過大，其反射功率就會(huì)導(dǎo)致發(fā)射機(jī)無法正常工作;而在帶有功分器的饋電模式中，若有一路天線駐波比過大，其他幾路駐波比不超標(biāo)，其總的反射功率可能還在發(fā)射機(jī)的承受范圍之內(nèi)，仍然可以正常工作。下面通過一個(gè)具體實(shí)例來驗(yàn)證上述理論，本文用FEKO電磁仿真軟件對(duì)數(shù)值計(jì)算結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。

2模型試驗(yàn)

選取如圖4所示的籠形折合振子天線作為相控陣的單元天線，其長(zhǎng)度為6.528m，在20～29MHz頻率范圍內(nèi)駐波比＜2，具體如圖5所示。即為使天線陣掃描角達(dá)到60°而又不出現(xiàn)柵瓣，陣元間距不能超過6.896m，單元天線長(zhǎng)度為6.528m，也就是說兩兩單元天線末端間距不能＞0.368m，從實(shí)際結(jié)構(gòu)方面考慮，選取天線末端間距為0.2m，利用FEKO電磁仿真軟件計(jì)算天線陣電氣性能，計(jì)算得出:在頻率為20MHz的時(shí)候，陣中4個(gè)單元天線按圖6的順序從左往右駐波比依次為2.59，1.27，1.63，1.52。可以發(fā)現(xiàn)，第一個(gè)單元天線的駐波比明顯偏高，如果采用如圖2所示的傳統(tǒng)模式饋電，會(huì)導(dǎo)致發(fā)射機(jī)反射功率較大而無法正常工作，這種情況下為了正常工作能是犧牲天線陣電氣性能，加大單元天線間距以減小天線間的耦合，付出的代價(jià)就是高頻段會(huì)有柵瓣出現(xiàn)。如果采用如圖3所示的帶有功分器的饋電模式，利用式(2)可以計(jì)算得出天線陣在發(fā)射機(jī)端口的反射功率，假設(shè)總的發(fā)射功率為4kW，則4個(gè)端口的正向功率均為1kW，根據(jù)式(2)可以4個(gè)端口的反向功率依次為:0.44kW，0.12kW，0.24kW，0.21kW，根據(jù)式(3)，可以計(jì)算得出總的反射功率為0.8175kW，代入式(2)，可以算出天線陣在發(fā)射機(jī)端口的駐波比為s=1.51，此時(shí)發(fā)射機(jī)可以正常工作。可以看到，帶有功分器的饋電網(wǎng)絡(luò)相比較傳統(tǒng)模式的饋電網(wǎng)絡(luò)，天線陣在發(fā)射機(jī)端口有更好的阻抗特性，對(duì)天線陣元的互耦影響敏感度較小，因而對(duì)天線陣元間距有更大的調(diào)整空間，可以使天線陣擁有更好的波束掃描特性。

3結(jié)束語

本文介紹了功分器在相控陣饋電網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用，與傳統(tǒng)的一部發(fā)射機(jī)接一個(gè)陣元天線的饋電模式相比，其優(yōu)點(diǎn)有:天線陣在發(fā)射機(jī)端口有更好的阻抗特性，改善了原傳統(tǒng)模式中由于耦合嚴(yán)重可能導(dǎo)致的個(gè)別陣中單元天線阻抗失配嚴(yán)重從而使發(fā)射機(jī)無法正常工作的問題;使天線陣中單元天線的間距有更大的調(diào)整空間，使天線陣有更好的掃描特性，最后通過一個(gè)實(shí)例驗(yàn)證了此理論的正確性。

作者：弓永明劉浩鑫邱蘊(yùn)單位：中國(guó)電波傳播研究所青島分所