功分器在饋電網絡中的應用范文
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《電子科技》2014年第五期
相控陣傳統的饋電網絡為一部發射機連接一個天線陣元，示意圖如圖2所示。在常規的相控陣設計中，柵瓣是不允許出現的，因為它限制了相控陣的性能，柵瓣峰值不出現在可見的條件［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越來越大。在圖2傳統的饋電模式中，天線陣的互耦影響會導致陣元阻抗特性變得不穩定，陣元天線駐波比增大，從而導致反射功率增大，有時會引起發射機無法正常工作，而只要有一路發射機無法正常工作整個相控陣就無法正常工作，所以在傳統饋電模式下，相控陣的設計必須嚴格平衡柵瓣和互耦之間的關系，進行折中設計，有時會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，并且在發射機端口的總的發射功率是四路發射功率經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射功率過大，但是經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射機的可承受范圍之內，仍然可以正常工作。即在傳統饋電模式中，若有一路天線駐波比過大，其反射功率就會導致發射機無法正常工作;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，其總的反射功率可能還在發射機的承受范圍之內，仍然可以正常工作。下面通過一個具體實例來驗證上述理論，本文用FEKO電磁仿真軟件對數值計算結果進行驗證。
2模型試驗
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，其長度為6.528m，在20～29MHz頻率范圍內駐波比＜2，具體如圖5所示。即為使天線陣掃描角達到60°而又不出現柵瓣，陣元間距不能超過6.896m，單元天線長度為6.528m，也就是說兩兩單元天線末端間距不能＞0.368m，從實際結構方面考慮，選取天線末端間距為0.2m，利用FEKO電磁仿真軟件計算天線陣電氣性能，計算得出:在頻率為20MHz的時候，陣中4個單元天線按圖6的順序從左往右駐波比依次為2.59，1.27，1.63，1.52。可以發現，第一個單元天線的駐波比明顯偏高，如果采用如圖2所示的傳統模式饋電，會導致發射機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，付出的代價就是高頻段會有柵瓣出現。如果采用如圖3所示的帶有功分器的饋電模式，利用式(2)可以計算得出天線陣在發射機端口的反射功率，假設總的發射功率為4kW，則4個端口的正向功率均為1kW，根據式(2)可以4個端口的反向功率依次為:0.44kW，0.12kW，0.24kW，0.21kW，根據式(3)，可以計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射機端口的駐波比為s=1.51，此時發射機可以正常工作。可以看到，帶有功分器的饋電網絡相比較傳統模式的饋電網絡，天線陣在發射機端口有更好的阻抗特性，對天線陣元的互耦影響敏感度較小，因而對天線陣元間距有更大的調整空間，可以使天線陣擁有更好的波束掃描特性。
3結束語
本文介紹了功分器在相控陣饋電網絡中的應用，與傳統的一部發射機接一個陣元天線的饋電模式相比，其優點有:天線陣在發射機端口有更好的阻抗特性，改善了原傳統模式中由于耦合嚴重可能導致的個別陣中單元天線阻抗失配嚴重從而使發射機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整空間，使天線陣有更好的掃描特性，最后通過一個實例驗證了此理論的正確性。
作者：弓永明劉浩鑫邱蘊單位：中國電波傳播研究所青島分所