微帶巴倫饋電圓錐正弦天線設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)

宋立眾 喬曉林 葉 準(zhǔn)

（哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海），山東 威海 264209）

引 言

被動(dòng)雷達(dá)導(dǎo)引頭是一種應(yīng)用于導(dǎo)彈武器中的寬帶雷達(dá)系統(tǒng)。被動(dòng)雷達(dá)導(dǎo)引頭因其具有隱蔽性好、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)而在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中備受青睞［1］。傳統(tǒng)被動(dòng)雷達(dá)導(dǎo)引頭的天線系統(tǒng)多采用圓極化超寬帶天線［2］，例如平面或圓錐等角螺旋天線、平面阿基米德螺旋天線等，這些天線均具有寬頻帶、圓極化和寬波束性能［3-7］。極化被動(dòng)雷達(dá)導(dǎo)引頭是一種新型雷達(dá)導(dǎo)引頭，它通過雙極化天線系統(tǒng)感知電磁輻射信號的幅度、相位、到達(dá)角和極化的完整信息，可以進(jìn)一步提高雷達(dá)導(dǎo)引頭的信號檢測和抗干擾性能，在電子戰(zhàn)性能等方面具有明顯的優(yōu)越性。寬帶雙極化天線系統(tǒng)是極化被動(dòng)雷達(dá)導(dǎo)引頭的關(guān)鍵技術(shù)。四臂正弦天線是一種性能優(yōu)良的天線形式，該天線具有極寬的工作頻帶、恒定的波束寬度、雙極化工作模式等特性［8-11］，因而在被動(dòng)雷達(dá)導(dǎo)引頭領(lǐng)域極具吸引力。傳統(tǒng)的正弦天線為平面結(jié)構(gòu)，它由若干個(gè)位于介質(zhì)表面的對稱金屬臂組成，具有雙向輻射的方向圖［12］。為實(shí)現(xiàn)單向輻射，往往需要在天線后向加一裝有吸波材料的金屬背腔。圓錐正弦天線是另一種正弦天線形式，其優(yōu)點(diǎn)是可以提高天線輻射方向圖的前后比［13］。在正弦天線的設(shè)計(jì)中，饋電結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)尤為關(guān)鍵。微帶傳輸線巴倫是一種常用的饋電結(jié)構(gòu)［14］，另外一種饋電結(jié)構(gòu)是微帶線-共面帶狀線轉(zhuǎn)換巴倫［15］。在上述正弦天線的研究中，圓錐正弦天線研究者較少，而且很少涉及該天線的加工、測試以及極化特性的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，而天線極化特性對于雙極化雷達(dá)系統(tǒng)來說是十分重要的技術(shù)指標(biāo)。

本文以圓錐共形四臂正弦天線作為被動(dòng)雷達(dá)系統(tǒng)天線實(shí)現(xiàn)方案，研究其實(shí)際輻射性能，探討該天線在被動(dòng)雷達(dá)中的應(yīng)用可行性，為實(shí)際極化被動(dòng)雷達(dá)導(dǎo)引頭天線的研制奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

1 圓錐正弦天線的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文討論的圓錐正弦天線結(jié)構(gòu)包括位于圓錐表面的正弦形狀的金屬臂、支撐用的泡沫介質(zhì)和超寬帶微帶線-平行雙線轉(zhuǎn)換巴倫三個(gè)組成部分。在此部分將論述正弦形狀金屬臂和超寬帶巴倫的實(shí)現(xiàn)方法。

1.1 圓錐共形正弦形狀金屬臂的實(shí)現(xiàn)方法

正弦天線是一個(gè)頻率無關(guān)的對數(shù)周期或準(zhǔn)對數(shù)周期結(jié)構(gòu)，它依賴于每個(gè)單元的最大角度范圍α和單元之間的比例。正弦天線由N個(gè)臂組成，每個(gè)臂由P個(gè)單元組成。第p個(gè)單元表示從最外面的單元到最里面單元中的某一個(gè)單元，Rp表示第p個(gè)單元的半徑。正弦曲線的設(shè)計(jì)參數(shù)包括αp和τp，其中αp表示極坐標(biāo)下第p個(gè)單元的角度范圍，τp表示相鄰兩單元半徑的比值Rp／Rp-1.如果α和τ是常數(shù)，則正弦曲線符合對數(shù)周期原理，如果αp和τp跟單元數(shù)p有關(guān)，那么我們稱這種結(jié)構(gòu)為準(zhǔn)對數(shù)周期結(jié)構(gòu)。正弦曲線的第p個(gè)單元線段可由下面等式定義

式中:r和φ為正弦曲線的極坐標(biāo)；Rp之間的關(guān)系為

為了從正弦曲線獲得正弦天線的臂，需要引入另外一個(gè)參數(shù)δ，可以利用αp±δ旋轉(zhuǎn)兩個(gè)正弦曲線產(chǎn)生正弦天線的臂。第p個(gè)曲折臂單元的等式可寫為

當(dāng)αp+δ＜70°時(shí)，天線可以獲得一個(gè)好的增益和效率。對于N臂正弦天線，δ在頻率無關(guān)天線中也起著重要的作用；該天線滿足自互補(bǔ)結(jié)構(gòu)的條件為

自互補(bǔ)結(jié)構(gòu)天線每個(gè)臂的輸入阻抗可以由下式得到

根據(jù)正弦天線的輻射機(jī)理，最低、最高截止工作頻率對應(yīng)的波長可近似表示為

式中λL和λH分別為天線的最低和最高截止工作頻率所對應(yīng)的波長。

圓錐正弦天線是將平面正弦曲線投影到圓錐表面形成的。該天線的優(yōu)點(diǎn)在于可以提高輻射方向圖的前后比，避免使用加載吸波材料的金屬背腔。為了實(shí)現(xiàn)輻射方向圖的前后比性能和增益性能之間的折中，往往選擇圓錐角為30°左右。在平面型正弦天線的基礎(chǔ)上，研究圓錐正弦天線的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與加工問題。采用的加工方法是微帶粘結(jié)法。該方法將圓錐表面共形的正弦天線臂張開成平面曲線形狀，選擇柔性微帶電路板加工，將柔性微帶電路板纏繞在泡沫圓錐表面；兩個(gè)寬帶微帶巴倫插入圓錐內(nèi)部，在圓錐頂部分別與四個(gè)正弦金屬臂焊接，實(shí)現(xiàn)對四臂正弦天線的平衡饋電。本文選擇圓錐角為28°，圓錐底部直徑為58mm.本文設(shè)計(jì)的四臂圓錐正弦天線的結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。圓錐正弦天線臂展開成平面曲線后的圖形如圖2所示，在此圖中，正弦曲線的內(nèi)半徑和外半徑分別為4mm和103mm；選擇恒定的增長率τ，其值為0.75；柔性電路板中介質(zhì)基板的相對介電常數(shù)為3.4，介質(zhì)基板厚度為0.06mm，質(zhì)基板表面的金屬箔厚度為0.018mm.

為了估計(jì)設(shè)計(jì)的圓錐正弦天線的輻射性能，采用電磁場全波分析方法對該天線進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算。由于兩個(gè)極化端口的對稱性，在此給出一個(gè)端口的計(jì)算結(jié)果。圖3和圖4分別為該端口的電壓駐波比和端口隔離度特性曲線，可見該天線在2～5GHz頻率范圍內(nèi)，平均電壓駐波比（VSWR）為2，平均的極化端口隔離度低于-20dB.

圖5給出了2GHz和5GHz時(shí)的天線輻射功率方向圖仿真結(jié)果，對于每一個(gè)工作頻率，又分別給出了E面和H面的方向圖?？梢钥闯?在兩個(gè)工作平面上，該天線都表現(xiàn)出寬波束特性；同時(shí)，該天線在整個(gè)頻帶范圍內(nèi)的增益約為5dBi，且增益表現(xiàn)出較為平穩(wěn)的特性。圖6給出了2 GHz和5 GHz時(shí)的天線輻射軸比方向圖仿真結(jié)果，對于每一個(gè)工作頻率，又分別給出了E面和H 面的軸比方向圖?？梢钥闯?在主波束附近的較寬角度范圍內(nèi)，該天線的軸比較高，表現(xiàn)出近似線極化的輻射特性。

1.2 超寬帶巴倫的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

本文設(shè)計(jì)的微帶指數(shù)漸變巴倫幾何結(jié)構(gòu)如圖7所示。該微帶巴倫選擇的介質(zhì)基板的相對介電常數(shù)為2.2，介質(zhì)基板厚度為1 mm，介質(zhì)基板表面的金屬箔厚度為0.036 mm.該介質(zhì)基板頂部和底部金屬結(jié)構(gòu)均采用指數(shù)規(guī)律變化的曲線，端口1為平行雙線端口，端口2為微帶線端口，該巴倫的作用是將特性阻抗為50Ω的微帶傳輸線連續(xù)變化到特性阻抗為180Ω的平行雙線，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了不平衡的微帶端口到平衡的平行雙線端口的轉(zhuǎn)換。介質(zhì)基板的頂部金屬為信號線，底部為地平面，它們的指數(shù)曲線方程均可以用下面的公式表示為

式中，參數(shù)a和b由微帶巴倫的尺寸決定，對于介質(zhì)基板頂部的信號線結(jié)構(gòu)，其表達(dá)式分別為

對于介質(zhì)基板底部的地平面結(jié)構(gòu)，其表達(dá)式分別為

上述微帶巴倫的結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)W0、W1和W2由數(shù)值仿真優(yōu)化設(shè)計(jì)獲得，其結(jié)果為:W0等于10mm，W1等于2.8mm，W2等于0.5mm.仿真得到的該微帶巴倫兩個(gè)端口的輸入駐波比如圖8所示，端口信號傳輸特性如圖9所示，可見該巴倫可以實(shí)現(xiàn)很好的阻抗匹配和信號傳輸功能。

2 圓錐正弦天線的實(shí)驗(yàn)研究

根據(jù)上面的設(shè)計(jì)結(jié)果，本文對該天線及巴倫進(jìn)行了加工制作。加工的微帶巴倫如圖10所示。焊接組裝后的天線如圖11所示。對加工制作的天線進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測試工作。電壓駐波比特性和極化端口隔離度特性采用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀E8362B測量得到，測量結(jié)果分別如圖12和圖13所示。該圓錐正弦天線在工作頻率為2～5GHz范圍的輸入平均VSWR約為2，兩個(gè)極化端口表現(xiàn)出較好的一致性；在工作頻率范圍內(nèi)，極化端口隔離度低于-20dB，可以滿足我們的項(xiàng)目需要。

在微波暗室中，采用天線遠(yuǎn)場測試系統(tǒng)對該天線的輻射方向圖和極化特性進(jìn)行了測試。測試方法為:發(fā)射端采用超寬帶標(biāo)準(zhǔn)喇叭天線，該天線放置在極化轉(zhuǎn)臺上，可以實(shí)現(xiàn)極化角度的任意旋轉(zhuǎn)；待測天線放置在接收端的方位轉(zhuǎn)臺上；發(fā)射天線在發(fā)射功率不變的條件下，交替發(fā)射垂直極化和水平極化的電磁波，測試系統(tǒng)分別錄取待測接收天線在這兩個(gè)正交極化狀態(tài)下的接收信號。由于該測試系統(tǒng)是相位相干測試系統(tǒng)，因此，可以測得天線接收數(shù)據(jù)的相位信息。將測得的信號功率與標(biāo)準(zhǔn)喇叭天線的接收功率對比分析，可以獲得該天線的增益。同時(shí)，由于獲取了待測天線的主極化和交叉極化數(shù)據(jù)，因此該天線的極化特性也可以計(jì)算得到。設(shè)待測天線在發(fā)射功率不變條件下接收的垂直極化和水平極化數(shù)據(jù)分別為EH和EV，則經(jīng)過極化基的變換，得到其對應(yīng)的左旋與右旋圓極化分量分別為

于是，待測天線的軸比AR可由下式計(jì)算得到

針對每一個(gè)極化端口，分別測試了對應(yīng)的E面和H面的方向圖，對于每一個(gè)測試平面，也分別測試了主極化和交叉極化分量的方向圖。為方便起見，此部分僅給出2GHz和5GHz時(shí)的方向圖測試結(jié)果。圖14和圖15為2GHz時(shí)的輻射功率方向圖和軸比方向圖的測試結(jié)果，圖16和圖17為5GHz時(shí)的輻射功率方向圖和軸比方向圖的測試結(jié)果。由圖可見，該天線具有寬波束性能，而且隨著頻率變化波束寬度基本恒定，然而實(shí)測波束發(fā)生一定的起伏現(xiàn)象，這可能是加工原因引起的；在主波束范圍內(nèi)，該天線具有近似20dB的軸比，表現(xiàn)出較好的線極化特性，同時(shí)極化特性隨著空間角度發(fā)生較明顯的變化，因此，在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)該考慮這種空間極化起伏現(xiàn)象。

根據(jù)方向圖測試數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)得到的工作頻段范圍內(nèi)各個(gè)頻點(diǎn)上的波束寬度如表1所示，前后比如表2所示，兩個(gè)極化端端口的增益特性曲線如圖18所示。可以看出:該天現(xiàn)在兩個(gè)極化端口上均表現(xiàn)出寬波束性能，方向圖的前后比得到一定程度的改善，但是為了更好的實(shí)現(xiàn)單向輻射，在組成天線陣列時(shí)，需要在天線陣列的背面加載微波吸波材料。天線在兩個(gè)極化端口的增益均高于4dBi，而且兩個(gè)端口增益一致性較好，增益隨著頻率變化基本保持恒定。

表1 圓錐正弦天線的波束寬度

表2 圓錐正弦天線的前后比

圖18 圓錐正弦天線的增益測試結(jié)果

3 結(jié) 論

寬帶雙極化天線是新體制極化被動(dòng)雷達(dá)導(dǎo)引頭的關(guān)鍵技術(shù)之一。本文以雙極化圓錐共形四臂正弦天線作為極化被動(dòng)雷達(dá)導(dǎo)引頭的天線實(shí)現(xiàn)方案，其目的是在寬帶范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)對敵方輻射源信號的雙極化接收。在天線制作過程中，將圓錐表面共形的正弦天線臂張開成平面結(jié)構(gòu)，采用柔性微帶電路板和微帶粘結(jié)技術(shù)完成該天線的加工。設(shè)計(jì)了一種寬帶微帶指數(shù)漸變巴倫對該四臂圓錐正弦天線進(jìn)行平衡饋電。對加工的圓錐正弦天線進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測量，給出了輸入駐波比、極化端口隔離度、輻射方向圖和極化特性的測試結(jié)果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該天線具有寬帶的輸入駐波比和方向圖特性；在主波束范圍內(nèi)，表現(xiàn)出近似的線極化特性，極化純度較好，但是其極化特性隨著空間角度發(fā)生較大的變化，實(shí)測增益略低于仿真結(jié)果，高低頻特性相比仿真結(jié)果有所下降，這是因?yàn)榧庸ず秃附拥纫蛩匾鸬摹Ｓ捎趯?shí)驗(yàn)條件的限制，本文的天線加工和實(shí)驗(yàn)測量工作還需要進(jìn)一步改進(jìn)和提高。再者，通過變化天線尺寸，可以擴(kuò)展該天線的工作頻帶。本文的研究工作為其實(shí)際應(yīng)用提供了有力的技術(shù)參考。

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