1引言
近年来随着电子技术的不断发展，无线电应用系统的研究不断深入，广播通信、制导雷达等技术研究都取得了较大的发展，天线的形式也更加多样。高功率天线是当前电磁技术研究中的重要课题，在电磁波武器等军事民用领域都有广泛的应用。因此在现阶段加强对于高功率平板波导螺旋阵列天线的设计研究具有十分重要的现实意义。
2工作原理
高功率平板波导螺旋阵列天线设计中采用阵列天线结构，在工作过程中，天线的辐射单元为短螺旋天线，使用电探针将能力从平板波导中提出并实现向短螺旋天线的馈电，而且通过对电探针耦合量的调整能够调节短螺旋天线的口径场幅度，进而提升短螺旋天线运行中的口径效率。其中关键元件为平板波导，全称为平板型扁波导，一般是指宽窄边分别在10倍波长以上和0.5倍波长以下的平板波导。该阵列天线选用1分20型功分器完成馈电，该元件能够将注入到馈电端口的1路圆波导分为20路矩形波导，且彼此等幅同相，这20路矩形波导能够在平板型扁波导内沿特定方向传播。将小型金属柱设置在矩形波导末端的合适位置就能实现由矩形波导向平板波导的过渡。在外形方面，利用介质罩对短螺旋天线的辐射面进行密封，实现天线内部的真空处理。
3改进型电探针结构设计
改进型电探针的整个电探针采用金属材质设计制造，上下端分别连接固定在螺旋天线和下底板位置，同时采用阶梯状的结构设计波导的上下板，利于元件之间的匹配衔接。在电探针运行过程中，电探针的工作频率、探针半径、有效面积、两板之间的间距以及探针阻抗等因素都会影响到电探针耦合量的大小，这就导致难以通过调整这些因素来实现对于电探针耦合量的调节。
改进型电探针在结构设计上封堵部分耦合通道，通过调节封堵使用的金属片的圆心角来实现对于电探针耦合量的调节，金属片的位置设计在同轴线底部。考虑到抽真空导致的平板波导内外压强差，扇形片和电探针在使用过程中还会支撑波导，因此调节耦合量的金属扇形片的尖端采用圆环结构设计，这样使得电探针与金属片之间的接触面积大幅提升，提高支撑波导的效果。另外为了有效的消除反射，本机构中对脊中线与脊高度与电探针中线的偏离距离进行优化。经过改进设计，电探针的工作带宽能够得到提升，在探针耦合时不会再金属片的扇形缝隙位置产生谐振,运行更加稳定，而且能够通过对扇形圆心角大小的调节控制精准控制电探针的耦合量，操作简单。
在改进电探针结构时利用CST软件建立电探针等效参数模型，其基本结构如图1所示，利用该模型能够提取电探针的运行数据并对结构参数和耦合量之间的关系进行模型分析。模型结构中左右两端分别为馈入端口和吸能端口，中间位置的3-12号端口用于输出电探针的耦合量，并使用磁边界对垂直微波两侧进行处理，从而对平板波导的馈电状态进行模仿。在电路研究中一般使用等效电导g来间接分析电探针的耦合能力，越大的电导就表示越强的耦合能力。通过仿真模拟能够分析得到改进型电探针运行中等效电导g、脊偏移量t、脊高度h以及扇形金属片圆心角θ之间的关系，其基本情况如图1所示。左右两图分别表示扇形圆心角和脊参数与等效电导之间的变化关系，分析可知，当金属片的圆心角调整到170°时，基本能够实现0耦合量，满足阵列天线对于小耦合量的调节需求。而且将角度调整为10°时，能够获得0.337的等效电导，也能满足各种阵列单元元件的运行要求。
图1 扇形圆心角和脊参数与等效电导之间的变化关系
4短螺旋天线设计
短螺旋天线在运行过程中辐射圆极化波，结合该特点将短螺旋天线设计为图2左图所示的基本结构，天线结构主要由螺旋线、反射腔、同轴线、天线罩环形腔以及支撑杆等。基本结构设计完成后，将天线螺旋线半径固定，再对螺旋线的高度、半径、圈数以及螺距等参数进行优化从而得到合适的轴比,最后再优化圆形反射腔半径、高度以及具体位置从而降低反射系数。采用该结构设计的短螺旋天线结构简单而且天线剖面较低。在4.3 GHz下优化天线模型得到如图4右图所示轴比曲线，分析图中数据可知，短螺旋天线在-7~7°的范围能够将轴比维持在0.5dB之下,可以证明该螺旋天线辐射的圆极化波满足天线辐射的要求。
图2 短螺旋天线结构及轴比图
5天线阵列设计
本设计中高功率平板波导螺纹阵列天线的排列设计为正方面，不同的单元之间按照20x20的正方形栅格排布，得到均匀分布的口面电场。每列20个直线阵列单元中，前17个单元使用改进型电探针进行设计组装，可以实现0.337以内的等效电导，计算出理论等效电导后利用图3中的拟合曲线得到17个单元使用的电探针中的脊参数和圆心角度数，再对应设计电探针结构。后3个单元可以使用基本型电探针组装，并缩小该位置上下平板之间的距离，从而达到提升耦合量的效果。
6结语
通过本文的分析可知，高功率平板波导螺旋阵列天线技术的研究具有重要的价值，本文提出的改进型电探针结构设计、短螺旋天线设计以及天线阵列设计能够有效提升高功率平板波导螺旋阵列天线的运行效益及性能，具有广阔的应用前景。未来随着无线电、无人机等电子武器设备研究的不断深入，高功率平板波导螺旋阵列天线等技术将会发挥更加重要的作用。
参考文献：
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