一種新型寬頻帶近場測試系統(tǒng)雙極化探頭設(shè)計

于慧娟 ,楊順平,何海丹

(中國西南電子技術(shù)研究所,成都610036)

1 引 言

近場測量方法是天線測量的重要手段,它可以在近距離獲得天線的遠場性能參數(shù),是天線輻射特性測試的重要方法。在近場測試系統(tǒng)的設(shè)計過程中,探頭對近場測試系統(tǒng)電氣性能有很大影響[1]。近場測試系統(tǒng)的探頭在照射角范圍內(nèi),遠場輻射方向圖需要具有良好的軸對稱特性,方向圖的E面和H面盡量平坦且具有較低的交叉極化。目前,近場測量系統(tǒng)中的雙極化測量主要通過兩種方式來實現(xiàn):一是利用單極化探頭的機械轉(zhuǎn)動來實現(xiàn)雙極化;二是直接利用雙極化探頭實現(xiàn)。

雙極化探頭在測試過程中不需要機械調(diào)節(jié),具有測試方便、測試速度快的優(yōu)點,但要求探頭具備低交叉極化、寬頻帶特性以及小的口徑尺寸。為實現(xiàn)這些特性,該類探頭設(shè)計難度大,設(shè)計成本高。雙極化探頭常采用平衡饋電和非平衡饋電兩種形式。平衡饋電探頭易實現(xiàn)寬頻帶低交叉極化特性,但其饋電結(jié)構(gòu)復雜,常常需要寬頻帶高性能的電橋?qū)崿F(xiàn)。寬頻帶電橋設(shè)計本身就存在難度,特別在毫米波頻段,連接電橋和天線饋電端電纜的相位差更難以控制。因此,這種形式的探頭很難在毫米波段實現(xiàn)[2]。非平衡饋電探頭雖然解決了饋電復雜的問題,但其很難做到寬頻帶內(nèi)的低交叉極化特性。

國外針對工作在18～40 GHz這個頻段,已經(jīng)設(shè)計出該類探頭。但其采用兩個可更換的口徑實現(xiàn),且采用平衡饋電的方法對探頭饋電。這種方案以目前國內(nèi)的加工能力,很難保證探頭饋電的一致性。而饋電一致性的好壞對探頭的交叉極化性能影響嚴重。因此,本文基于國內(nèi)加工情況的基礎(chǔ)上,提出一種饋電簡單的非平衡饋電形式的雙極化寬帶探頭。本文采用四脊喇叭這種寬頻帶天線形式,很好地解決了天線的帶寬問題。同時在四脊喇叭的兩饋電脊間添加隔板,使其在18～40 GHz頻帶范圍內(nèi)主輻射方向交叉極化低于-40 dB,同時波瓣內(nèi)也具有較好的交叉極化特性。本探頭口徑為11 mm×11 mm,工作帶寬達到了75.8%,實現(xiàn)了小口徑的寬頻帶低交叉極化特性,是一款近場測試系統(tǒng)中高性能探頭。

2 天線結(jié)構(gòu)與設(shè)計分析

為了實現(xiàn)寬頻帶特性,本文采用四脊喇叭這種寬頻帶天線形式,再加以改進得到滿足性能的新型式探頭。具體的設(shè)計思路是先設(shè)計方雙脊喇叭,再將設(shè)計好的脊復制在另外兩面喇叭光壁上形成方四脊喇叭初步模型。最后在初步模型基礎(chǔ)上,加以改進,降低天線的交叉極化。

2.1 四脊喇叭設(shè)計

雙脊喇叭通常由后腔、激勵器和輻射段組成的,并用50 Ψ的同軸線饋電。圖1為雙脊喇叭的示意圖。為了具備良好的阻抗?jié)u變效果,脊曲線一般采取指數(shù)形式[3-8]。

圖1 雙脊喇叭示意圖Fig.1 The geometry of the ridge horn

設(shè)雙脊間的距離為2y,由中線起算為 y,則 y與軸向距離z的關(guān)系按指數(shù)關(guān)系變化。在此基礎(chǔ)上,附加一次線性項,可以擴展喇叭的下限頻率,從而達到拓展頻帶,減小口徑的作用。

脊曲線方程為

式中,A、B、C為常數(shù)。C一般取0.02左右為最佳。A=y(0)=d/2,d為脊間距。設(shè)脊喇叭長度為L,則

要想得到B的初值,要先確定喇叭段全長L和喇叭口面邊長g的初值:為了得到較寬的帶寬,L一般不小于最低頻率波長的一半。在喇叭開口附近,脊的長度已經(jīng)變得很小,喇叭的橫截面與普通波導的橫截面相近。此時為了滿足TE10模傳播條件,開口面邊長要大于最低頻率波長的一半。

指數(shù)雙脊喇叭還有一個后腔,是為了達到喇叭匹配作用的,后腔長度 L1約為 λm/4～ λm/8。此外脊喇叭性能還與脊寬度s、脊間距d、脊后腔寬度a、高度b有關(guān)。一般選取上述參數(shù)關(guān)系為:s/a=0.1,d/b=0.1,λTE10c/a=3.97。針對本文探頭的工作頻率,令fTE10c=17GHz得到雙脊喇叭的初值。至此,雙脊喇叭的全部參數(shù)的初值已設(shè)計完成,將設(shè)計好的一對脊復制到剩下的喇叭光壁上即得到四脊喇叭天線的初步模型。

2.2 天線優(yōu)化設(shè)計

一般脊喇叭的交叉極化在-20 dB左右,為了降低天線的交叉極化特性,本文采用在兩脊饋電間加入隔板的形式,隔板長度為L2。當一種極化被激勵時,由于隔板的存在,有效抑制了其正交極化方向的場,故可降低天線的交叉極化。但同時由于隔板的存在,破壞了四脊喇叭原來的匹配,因此需要優(yōu)化隔板的位置、長度、后腔的結(jié)構(gòu),同時需要優(yōu)化脊喇叭的饋電位置。

由于此探頭工作在毫米波頻段,尺寸過小,脊喇叭饋電端實現(xiàn)成為加工的難題。本文為了實現(xiàn)探頭加工,天線采用圖2所示的饋電結(jié)構(gòu)。這種饋電結(jié)構(gòu)將連接器的探針上添加了外導體,模擬50 Ψ傳輸線,這樣解決了脊喇叭由于脊厚度過小,在脊上打洞目前加工無法實現(xiàn)的問題。由于連接器上的外導體直徑大于脊喇叭脊的寬度,會使方向圖出現(xiàn)不對稱的趨勢。優(yōu)化連接器上探針外導體的長度,使其在加工實現(xiàn)和性能上得到最優(yōu)的結(jié)果。

圖2 改進后天線結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 The structure of the improved antenna

使用Ansoft HFSS12軟件對天線進行優(yōu)化,得到滿足性能的天線參數(shù),各參數(shù)如表1所示。圖3給出了幾個典型頻點的方向圖仿真結(jié)果。

表1 改進后四脊喇叭主要結(jié)構(gòu)參數(shù)Table 1 The mainparameters of the improved quadruple-ridge horn

圖3 探頭各典型頻點兩端口主極化與交叉極化方向圖仿真結(jié)果Fig.3 The simulation results of the radiation pattern of the antenna operating in the main-polarization and cross-polarazation with different typical frequencies

3 實驗結(jié)果及分析

按照上述方法,對雙極化近場測試系統(tǒng)探頭進行了加工。該探頭的尺寸為103 mm×11 mm×11 mm,工作頻帶為18～40 GHz。圖4給出了此探頭在18 GHz、25GHz、30 GHz、35 GHz、40 GHz兩個端口的主極化和交叉極化的測試曲線,這幾個頻點主輻射方向的交叉極化性能總結(jié)如表2所示。從測試結(jié)果可以看出,該探頭在18～40 GHz頻帶內(nèi)主輻射方向上的交叉極化低于-40 dB,測試結(jié)果與仿真結(jié)果吻合較好。采用文中提出的饋電方式,探頭的主極化方向圖在波瓣內(nèi)仍具有良好的對稱性,滿足工作帶寬的要求,并且該探頭在波瓣范圍內(nèi)仍舊具有良好的低交叉極化特性。可見,該方法可以有效解決加工問題,且不影響其性能。

表2 探頭交叉極化測試結(jié)果Table 2The measurement results of the cross-polarization

圖4 探頭在18 GHz、25 GHz、30 GHz、35 GHz和40 GHz兩端口主極化與交叉極化方向圖Fig.4 The measurement results of the radiation pattern of the antenna operating in the main-polarization and cross-polarazation with 18 GHz,25 GHz,30GHz,35 GHz and 40 GHz

4 結(jié) 論

本文設(shè)計了一個小口徑雙極化近場測試系統(tǒng)寬頻帶低交叉極化探頭,測試結(jié)果表明該探頭工作帶寬達到75.8%,在工頻帶內(nèi)最大輻射方向上的交叉極化低于-40 dB,并且在波瓣范圍內(nèi)都具有良好的低交叉極化特性。該探頭的創(chuàng)新點在于,對傳統(tǒng)的四脊喇叭天線進行改進,在兩脊饋電端增加極化隔板,降低其交叉極化特性。同時,為使該方案在毫米波頻段實現(xiàn),本文還針對加工中難以實現(xiàn)的饋電形式提出解決方法,使理想的仿真模型在工程上得以實現(xiàn)。該天線已作為近場測試系統(tǒng)探頭,應用于工程實測中。

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