一种基于对数周期天线理论的超宽带馈源设计

摘要

现有的应用于十倍频超宽带射电望远镜的馈源技术有：四脊喇叭馈源，改进的张角四脊喇叭馈源，正弦馈源，准自补天线和Eleven馈源等。四脊喇叭馈源为全金属结构，能够直接与标50Ω同轴输出端口相接，且能够通过改变张角灵活地控制波束宽度。但是其波束宽度和相位中心位置随频率而变化，这会导致天线的口径效率较低。与原始的四脊喇叭馈源相比，改进的张角四脊喇叭馈源的波束宽度更加稳定，但相位中心会随着频率的变化而变化。正弦馈源和准自补天线都是非平面宽带对数周期双极化天线，但是这两种馈源的波束宽度随频率而变化，而且在4GHz以上还没有实现硬件。Eleven馈源相比别的馈源来说，具有超宽频带、波束宽度和相位中心较固定、体积小、重量轻等优势，近年来受到了越来越多的关注。本文基于对数周期天线和折叠偶极子理论，按照项目指标要求设计了一种六倍频超宽带Eleven馈源，在HFSS软件中对设计的Eleven天线、超宽带无源巴伦、超宽带功率合成器进行了仿真，并对加工的实物进行了测量。测量结果显示各部分均达到了项目指标要求。 Eleven天线是一种以对数周期阵列的形式将工作在不同频带上的折叠偶极子依次级联而得到的一种超宽带天线。在Eleven天线的研制过程中，为了提高天线的BOR效率，需要构建旋转对称的模型。本次设计过程中利用了一系列成对数周期比例的类似瓦片结构的空心圆柱体部分，通过去除它们与金属贴片的交叉部分，使得构建的折叠偶极子瓣在反射板的投影为圆形，以确保天线严格旋转对称。仿真过程中，通过改变偶极子瓣相对反射板的倾斜角、偶极子瓣的张角、偶极子瓣馈电间隙的大小、对数周期的比例因子等参数可以调节频段内关注频点处的波束宽度。 在馈电方案结构的设计中，针对功率合成器，设计了Klopfenstein型渐进线、金属腔封装和销钉型间隙波导。Klopfenstein型渐进线使得功率合成器在宽带内获得良好匹配，金属腔的设计屏蔽了低频段的谐振，金属腔封装顶盖上销钉型阵列的设计屏蔽了高频段谐振；其次，本次设计的超宽带无源巴伦为线性渐近线巴伦，四个宽带巴伦直接与四对平行双线相连，四对平行双线穿过地板上的四个通孔与对应位置的偶极子瓣相连接。因为两两相对的偶极子瓣构成同一极化，所以本次设计中的两对巴伦正交放置，以实现双极化的紧凑馈电装配。在宽带内关注频点处的结果显示巴伦可以达到要求。 本次设计的Eleven馈源仍有改进空间。首先，在改变Eleven模型的参数调节天线的波束宽度时，能够调节的参数很多，且这些参数往往牵一发而动全身，需要进行联合调节，比如当改变偶极子瓣旋转翘起的角度时，每个折叠偶极子臂距离地板的高度也在变化，这使得优化过程十分繁琐且复杂。在之后的改进设计中，可以利用折叠偶极子臂上的电流分布来表示出远场函数，在MATLAB中建模，通过优化算法来设计Eleven的波束宽度；本次设计的功率合成器也达到了要求，但是功率合成器的尺寸还可以进一步缩小，且需要关注不同函数不同渐近线技术之间的性能差异，以实现最优化的设计；本次设计的超宽带无源巴伦为线性渐近线巴伦，在宽带内关注频点处的结果可以达到要求，后期通过优化渐近线可以实现巴伦的小型化，从而使天线整体的结构更加紧凑。

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