用于高功率微波测量的圆极化微带阵列天线

1、用于高功率微波测量的圆极化微带阵列天线CircularlypolarizedmicrostriparrayantennaappliedtohighpowermicrowavemeasurementCHENPengl,2,NINGHui2,JINGHong2,NIEXinl2,MAOCongguangl,21. StateKeyLaboratoryofIntensePulsedRadiationSimulationandEffectXi'an710024,China；2. NorthwestInstituteofNuclearTechnology,Xi'an710024,Chin

2、a)：ThepolarizationmatchingofmeasurementantennahasgreatimpactonmeasurementaccuracywhilemeasuringtheradiationfieldofhighpowermicrowavecircularlypolarizedmicrostriparrayantennaHP")Aisintroducedtoimprovethemeasurementaccuracy.Takingpowerdividerasfeednetwork,theaxialratioofbetterthan1dBisacquired.Co

3、mparedwithcircularly?polarizedmicrostripantennawithnon?array,thismethodmakestheaxialratioreducebyabout1dB.Whenthearrayantennaisusedtomeasurefarfieldradiationofthelinearpolarizedmicrowave,theinfluenceofpolarizationmismatchingonthemeasuringresultsisreducedfrom±13%to±3.6%approximately.Keyword

4、s：radiationfieldmeasurementcircularpolarization；arrayantenna；highpowermicrowave0引言HPM昌射场测量是研究高功率微波辐射特性的重要手段和获得高功率微波辐射功率密度的主要途径。国内外常采用线极化的开口波导1?2或标准增益喇叭天线作为测量天线。在实际测量时，需要将开口波导或标准增益喇叭天线的极化方向与电磁场极化方向对准，否则将导致极化失配，降低测量精度。采用线极化测量天线进行EMI测量时，由于干扰信号极化方向未知，需在每个测量位置改变测量天线的极化方向，以保证测量结果的准确性3o圆极化天线能够接收任意极化方向的线极化电

5、磁波，可以在一定程度上减少由极化失配引起的测量误差，且不需事先确定待测信号的极化方向，因此曾有人提出采用圆极化对数周期阵子天线测量电磁干扰的方法4o圆极化天线在HPM昌射场测量中的应用较少，本文利用微带天线易于组阵的特点，根据特定的方法组成微带圆极化天线阵列，减小了轴比，提高了圆极化纯度，为HPM昌射场测量提供了种新的测量方式。1圆极化微带天线设计与研制1.1 矩形圆极化微带天线矩形微带天线的设计尺寸5如式(1),式(2)所示：W=c2fr£r+12-12(1)L=c2fr£e-2I(2)式中：W为矩形宽度；L为矩形长度；fr为谐振频率;c为光速；£r为微带介质板

6、相对介电常数；I为边缘效应引起的等效长度变化；：£e为等效介电常数。在矩形微带天线对角线附近，利用同轴线馈电可以激励起方向垂直,相位差为90°的两个线极化波，从而实现天线的圆极化设计。利用计算软件对馈电点位置和贴片尺寸进行优化，并根据圆极化微带天线的工作频段，得到矩形微带天线的实际尺寸和馈电点位置。根据计算得到的天线参数，经加工得到圆极化矩形微带天线的实物图如图1所对该天线轴比进行测量，得到天线的轴比约2dBo用于测量时，2dB的轴比引入的测量误差较大，因此必须考虑进减小轴比，提高测量精度。1.2 圆极化微带阵列天线设计原理假设某n元旋转阵列由n个圆极化天线单元组成，各天线

7、单元距天线阵中心距离相等。天线阵组成形式如图2所示。其中?pm为天线单元的旋转角度。天线单元的远场辐射场强可表示为：Em(x,y)=am(x,y)xm+jbm(x,y)ym(3)amMbm:天线为椭圆极化。则天线阵的远场辐射场强可表示为:Etotal(x,y)=m=lME(mx,y)=m=lMa(mx,y)xm+jbmx,y)ym=m=lMa(lx,y)jbl(x,y)cos(n?pm)sin(n?pm)-sin(n?pm>cos(n?pm)xlylxexp(j?em-j书m)(4)式中：?pm为天线单元旋转角度；?em为天线单元的馈电相位；书m为第m个天线单元的相位延迟，且书m=(m-

8、1)kOdmsin9mp为某一正整数；n为天线单元工作模式的个数。将矩形圆极化微带天线按一定旋转角度组合在一起，并馈入不同相位的信号，当天线的旋转角度及馈电相位6满足式(3)时，天线阵的轴比远远小于其组成单元的轴比。?em=(m-1)pnM,?pm=(m-1)pnnM,KmcM(5)在天线阵主轴方向，将式(5)代入式(4)得到：Etotal=m=lMal(0,0)cos(m-1)pnM-jbl(0,0)sin(m-1)pnM?cos(m-1)pnM+jsin(m-1)pnM?xl+al(0,0)sin(m-1)pnM+jbl(0,0)cos(m-1)pnM?cos(m-1)pnM+jsin(m

9、-1)pnM?yl(6)令a=-pnM3=pnM并根据三角公式：m=lMsin(a+m3)=sinM32sin32sina+12(M+l)j3m=lMcos(a+m3)=sinMj32sinj32cosa+12(M+l)j3(7)得至u：Etotal=M2?al(0,0)+bl(0,0)?(xl+jyl)+12al(0,0)-bl(0,0)?(xl-jyl)?sin(pn)sinpnM?expjM-IMpnt(8)式（8）即为满足式（5）中旋转角度及馈电相位关系的圆极化微带天线阵主轴方向远场辐射场表达式。其中总电场分为两部分：第一部分是纯圆极化场，第二部分是交叉极化场，而第二部分可以通过使a=

10、b或者适当选择p与M消除。由于设计纯圆极化（a=b）的天线单元较难，因此通过适当选择p与M消除交叉极化，从而获得轴比较小的圆极化天线阵。本文中圆极化天线阵选择的参数为p=2,M=4,阵列形式如图3所示。利用计算软件对天线阵进行数值模拟并优化设计尺寸，根据设计尺寸加工了圆极化微带天线阵列，如图4所示。1.3圆极化微带阵列天线馈电电路由设计原理可知，天线阵的馈入信号应幅度相等、相位差为通过同轴90°,采用一分四路功分器产生满足要求的输入信号,电缆分别馈入天线阵的4个阵元，功分器如图5所示。2实验结果与分析圆极化天线的轴比测试实验布局如图6所示。实验中，开口波导作为发射天线，圆极化微带天线作为接收天线。为减少地面反射，开口波导一侧铺设吸波材料。发射天线与接收天线连接矢量网络分析仪，在设计频段中选择矢量网络分析仪的扫描频点，设置扫描时间为120so扫描过程中开口波导随步进电机连续旋转，扫描完成后矢量网络分析仪的S21参数变化幅度即为圆极化接收天线的轴比。从图7可以看出，圆极化微带阵列天线的实测轴比小于1dB