高功率发射技术是高功率微波系统重要基础之一，随着高功率微波系统向更高功率、更高频率、波束扫描、功率合成，多频复用、多平台共形等技术领域的深入发展，仅以功率容量与发射效率为主要出发点的高功率微波天线设计思路，已不能匹配高功率微波系统能力构建的现实需要。着眼现有高功率天线体制的局限性，国内已开展高功率天线的平面化、阵列化研发工作。其技术优点包括：紧凑、轻便，便于多平台装载应用，高功率容量(传输波导功率容量满足即可)，高口径效率，波束扫描速度快(阵列扫描方式)，系统成本可控，便于多系统空间功率合成。近年来，随着雷达、通信、电子对抗领域应用发展需求的不断提高，促进了天线技术的飞速发展，对于高功率微波发射技术而言，也需要有效借鉴近代天线技术的发展成果，将最新天线技术发展成果应用到高功率微波辐射系统中，构建并研究具备平台适应性强、波束扫描、极化重构、多频复用、共口径、小体积、可共形、可重构的全新体制高功率微波发射系统。本文提出了无移相器自旋转高效平板天线系统，采用辐射栅条自旋转方式实现了空间波束电扫描，在高功率应用下具有以下优点^[1-2]：准光学电磁设计原理，非谐振结构，结构鲁棒性高，可采用注塑工艺，重量轻，特别便于高频率、高功率微波加工。相比于传统高功率相控阵天线，具备无移相器结构的空间波束扫描能力，简化了天线机械、电气结构，降低了伺服控制难度及系统成本。相比于传统抛物面天线，低剖面、轻重量更便于系统共形集成，如机载应用时，可与机翼共形; 车载应用时，可与方舱壁共形。

1.   波束形成原理

如图 1所示，无移相器天线采用线性微波源馈电，在平面传输波导中以类TEM波传输^[3]。辐射缝隙由天线的辐射栅格等间距组成。类TEM波在平板波导中波速为光速c，因此辐射缝隙间距大小为天线工作中心频率一倍波长。导行波经过辐射缝隙时，耦合微波能量输出，实现微波空间定向辐射。

图  1  天线原理图

Figure  1.  Principle diagram of antenna

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如图 2所示，无移相器天线采用非谐振栅条结构。通过栅条旋转改变辐射缝隙电场相位分布，实现波束空间扫描。馈电微波在平面传输波导中以类TEM波形式传输，近似按标准TEM波分析。

图  2  工作原理

Figure  2.  Principle of operation

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TEM波相速度是与频率无关的量，为保证其高功率容量，波导工作在真空环境中，平面波导v_TEM等于真空中光速c。

如图 2所示，栅条自旋转一定角度时，可从微分角度将缝隙起始距离沿x轴近似分解，则沿x轴辐射缝隙处电场相位分布分解为

式中：θ_n为沿y方向辐射缝隙1，2，3，…，n处电场相位; λ为天线工作中心频率波长; d₁，d₂，d₃，d₄为缝隙起始距离; d为相邻辐射缝隙间距。

当d等于工作波长λ时，将d₄-d₃=d₃-d₂=d₂-d₁=kdx，其中k=sinβ，为栅条自旋转斜率，β为栅条自旋转角度。代入式(1)，可得x轴相邻dx距离的辐射相位差

由式(2)可得，栅条自旋转时电场沿x轴方向产生相位差，形成波束指向偏转，实现自旋转空间波束扫描。

根据阵列天线辐射原理，其合成电场表达式为

式中：A_n为阵列单元幅度大小; φ_n为阵列单元相位大小; α为空间方向角; N为单元个数。可得波束指向与阵元相位差关系

式(2)与式(4)均为阵元相位差，由此可得$2 \pi \sin \beta \frac{\mathrm{d} x}{\lambda}=2 \pi \sin \alpha \frac{\mathrm{d} x}{\lambda}$，即

波束扫描示意图如图 3所示。由式(5)可得，栅条自旋转角度与波束指向角度相等，栅条未旋转时，波束垂直天线平面0°指向，栅条自旋转角度变大，波束空间扫描指向角度对应变大。

图  3  波束扫描示意图

Figure  3.  Diagram of beam scanning

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2.   系统组成

如图 4所示，天线系统主要由1分24路功分器网络、自旋转扫描天线、伺服机构、密闭框体组成。1分24路功分器网络将高功率微波源输出模式转换为平板波模式，馈入后端天线。自旋转栅格天线采用栅条非谐振结构，实现平板波模式向空间自由波转换。伺服机构由小功率单电机，高精度角编码器组成，完成自旋转机械结构的驱动。天线、馈电、伺服整体真空密封于框体中，提高系统功率容量。如图 5所示，1分24路功分器网络与自旋转栅格天线按L形装配，便于与高功率微波源一体化集成。

图  4  Ku波段天线系统

Figure  4.  Ku band antenna system

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图  5  Ku频段天线结构组成图

Figure  5.  Structure composition diagram of Ku band antenna

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3.   设计仿真

3.1   1分24路功分网络

如图 6所示，1分24路功分网络采用高功率径向线结构^[4-6]，将高功率同轴馈电波转换为24路过模矩形TE₁₀模输出，实现向自旋转阵列天线的等幅、同相线性分布馈电形式。仿真得24路功分网络输出幅度在-14.2 dB至-13.5 dB之间，插入损耗理论值小于0.4 dB; 输出相位在-107°至-105°之间，具有较高的相位一致性。仿真电场分布如图 7所示，HFSS软件设置馈电功率大于1 GW，功分网络内场最大值为38.4 MV/m。真空环境下(＜1×10^-2 Pa)击穿场强在40 MV/m至60 MV/m之间，该电场数值低于击穿阈值，具有GW量级功率容量。

图  6  1分24路功分网络

Figure  6.  1-24 power divider network

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图  7  电场分布图

Figure  7.  Diagram of electric field distribution

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3.2   自旋转波束扫描天线

如图 8所示，经估算，天线口径面积1200 mm×570 mm，可实现增益36 dB。同时为实现波束±30°扫描，天线纵向尺寸增加到1480 mm^[7-8]。因此天线最终尺寸约为1480 mm×580 mm×120 mm。

图  8  自旋转波束扫描天线

Figure  8.  Self-rotating beam scanning antenna

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如图 9、图 10所示，栅条未旋转时，波束0°指向，天线增益为39.5 dB，天线辐射效率60%。栅条30°自旋转时，波束30°指向，天线增益为37.8 dB。扫描增益下降1.7 dB。满足波束±30°扫描要求。

图  9  0°波束指向

Figure  9.  0° beam-steering

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图  10  30°波束指向

Figure  10.  30° beam-steering

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4.   样机测试分析

表 1为天线样机测试结果。从实测结果分析，该阵列天线在300 MHz带宽内，0°指向时增益大于36 dB，如图 11所示，并可现±30°波束扫描，当束±30°指向时，其增益下降损耗小于3 dB。与仿真计算存在的增益差异，主要是由样机加工时，波导表面未做工艺处理，造成微波传输损耗加大，降低天线增益。

表  1  天线测试结果

Table  1.  Result of testing

frequency	rceived power of measured antenna/dBm	rceived power of standard antenna/dBm	gain of standard antenna/dB	gain of measured antenna/dB
f-0.15 GHz	23.71	-36.80	23.33	36.42
f	-23.32	-36.63	23.39	36.70
f+0.15 GHz	-24.56	-37.46	23.48	36.38

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图  11  方向图测试结果

Figure  11.  Result of radiation pattern testing

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5.   结论

本文提出的工作在Ku频段的自旋转波束扫描相控阵天线，无需加载移相馈电网络便可实现相位调节，改变波束指向，具有伺服简单，结构紧凑，平面化、低剖面、轻质的优点。从仿真和实测结果来分析，该阵列天线均具有良好的扫描特性，高口径辐射效率，自旋转扫描范围达到±30°，可广泛应用于机载、车载、舰载高功率微波系统的表面共形发射。