大功率寬帶超短波天線的設(shè)計與實現(xiàn)

金偉清，章泉源，陳隨斌，賀　平

(上海航天電子技術(shù)研究所，上海 201109)

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大功率寬帶超短波天線的設(shè)計與實現(xiàn)

金偉清，章泉源，陳隨斌，賀平

(上海航天電子技術(shù)研究所，上海 201109)

摘要在超短波通信系統(tǒng)中，經(jīng)常要求天線具有寬頻帶與耐受大功率的特性。通過理論上的定性分析，設(shè)計了一種對稱振子天線。天線阻抗匹配采用套筒式結(jié)構(gòu)、與空氣帶狀線平衡器結(jié)構(gòu)一體設(shè)計。根據(jù)仿真計算結(jié)果，制作了1副天線。測試結(jié)果表明，該天線在VHF頻段20%帶寬內(nèi)駐波比小于1.3，可以承受5 kW連續(xù)波功率要求。該匹配技術(shù)也被證明可以用于其他TEM模饋電結(jié)構(gòu)的天線設(shè)計。

關(guān)鍵詞超短波天線；寬帶；低駐波；連續(xù)波功率

Design of a High Power Wideband VHF Antenna

JIN Wei-qing，ZHANG Quan-yuan，CHEN Sui-bin，HE Ping

(ShanghaiAerospaceElectronicTechnologyResearchInstitute,Shanghai201109,China)

AbstractThe high power and wideband antenna is often required in VHF communication system.A dipole antenna is designed according to theoretical analysis.The antenna adopts a sleeve-type impedance match,which is integrated in the air strip-line balance structure.A prototype of this antenna is fabricated according to the simulation result.The match device can provide a VSWR less than 1.3 over 20% bandwidth in VHF band,and also stand 5 kW CW working power with anti-thunderbolt ability.The matching technology is proved to applicable in the design of antenna that is in TEM-mode feed structure.

Key wordsVHF antenna;broadband;low VSWR;continuous wave power

0引言

對稱振子天線以其具有技術(shù)成熟、結(jié)構(gòu)簡捷、易加工和易組陣等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于通信、廣播電視、雷達和飛行器領(lǐng)域。目前對稱陣子天線出現(xiàn)了許多形式[1]，都是以提高性能和滿足不同應(yīng)用為目的演變而來。本文描述的大功率寬帶對稱振子天線在空氣帶狀線平衡器的內(nèi)導(dǎo)體中，采用了同軸套筒式結(jié)構(gòu)的設(shè)計技術(shù)，并在工作頻帶內(nèi)使對稱振子天線輸入阻抗的電抗相消，在沒有增加饋電結(jié)構(gòu)尺寸的前提下，實現(xiàn)了承受5 kW連續(xù)波功率、20%帶寬內(nèi)駐波比小于1.3的要求，保證了超短波發(fā)射機在沒有大功率環(huán)流器情況下能夠連續(xù)工作。

1對稱振子天線分析

對稱振子距離接地板大約λ/4安裝，以便在不改變水平面波束寬度的前提下獲得增益提高。根據(jù)天線理論分析，在自由空間，對稱振子的輸入阻抗為[2]：

Zin= Z01ch(2αl)-cos(2βl)sh(2αl)-αβsin(2αl)()-[

(1)

輻射電阻

有耗傳輸線相移常數(shù)

單位長度損耗電阻

由式(1)可以計算出自由空間對稱振子天線的輸入阻抗與振子長度的變化曲線，如圖1和圖2所示。由分析計算結(jié)果可以看出，對稱振子臂越粗，平均特性阻抗Z0越低，對稱振子的輸入阻抗隨l/λ的變化越平坦，有利于改善頻帶寬度；對稱振子天線存在一系列諧振點，在這些諧振點上，輸入電抗為零。

圖1　輸入阻抗實部與振子長度的變化曲線

圖2　輸入阻抗虛部與振子長度的變化曲線

在實際工程應(yīng)用中，如果將單一對稱振子作為天線使用，不可避免地存在以下2個問題：

① 受結(jié)構(gòu)尺寸和重量等條件的限制，對稱振子的臂直徑不可能無限制地大，這說明靠加粗振子臂直徑改善頻帶寬度是有限的；

② 雖然將對稱振子臂長選在諧振點上，使輸入電抗為零，可以方便地實現(xiàn)匹配，但是電抗隨著l/λ變化劇烈，這意味著輸入電抗為零的頻帶很窄。

2阻抗匹配的方法

由式(1)可以看出，對稱振子的輸入阻抗由實部和虛部組成，為了方便分析，可以將其寫成Zin=R0(l)+jX0(l)。在具體設(shè)計過程中，由于天線的臂長已確定，則輸入阻抗可以改寫與頻率有關(guān)的函數(shù)Zin=R0(f)+jX0(f)，可用圖3的等效電路表示，Z0(Y0)為與頻率無關(guān)的饋電傳輸線特性阻抗(導(dǎo)納)。

根據(jù)微波傳輸線理論知，對于圖3的等效電路實現(xiàn)阻抗匹配必須滿足負載阻抗等于傳輸線阻抗的條件：Zin=Z0，即R0(f)=Z0，X(f)=0；才能達到理想匹配。這在對稱振子天線設(shè)計中，除了在某些諧振點可以滿足此條件外，在寬頻帶范圍內(nèi)很難得到滿足。因此，工程上通常認為，只要在一定頻率范圍內(nèi)滿足：R0(f)≈Z0，X(f)Z0；就實現(xiàn)了匹配。從圖2可以看出，對稱振子天線的X(f)隨頻率變化劇烈。因此，對于具有圖3所示等效電路的單一對稱振子天線必須引入匹配結(jié)構(gòu)，才能實現(xiàn)寬帶匹配[3]。

圖3　對稱振子天線和饋線的等效電路

由圖2可以看出，當振子臂長l在(0.15～0.35)λ之間時，對稱振子電抗部分呈現(xiàn)出由容性接近線性地變?yōu)楦行浴Ｑ芯吭O(shè)計這樣一種結(jié)構(gòu)：在較寬的頻帶范圍內(nèi)具有X1(f)≈X0(f)或B1(f)≈B0(f)特性，當串接或并接對稱振子中，使對稱振子的輸入阻抗呈現(xiàn)純電阻(電導(dǎo))特性，然后再通過阻抗變換器的作用，就可以實現(xiàn)與饋電傳輸線的匹配。眾所周知，當短截線電長度小于λ/4時，其輸入阻抗Zin=jZ1tanl1=jX(Yin=jY1tanl1=jB)，在一定的范圍內(nèi)正好和對稱振子輸入阻抗虛部的特性相反[4]。因此，最簡便的匹配方法是在主傳輸線上串聯(lián)或并聯(lián)一段短截線。

下面根據(jù)等效電路分析討論在對稱振子天線中引入適當串聯(lián)短截線或并聯(lián)短截線實現(xiàn)匹配的可實現(xiàn)性。對稱振子天線引入短截線后和饋電傳輸線的等效電路如圖4和圖5所示。

圖4　對稱振子天線與并聯(lián)枝節(jié)和饋線的等效電路

圖5　對稱振子天線與串聯(lián)枝節(jié)和饋線的等效電路

由電路理論可知，對圖4和圖5的等效電路，只有當Yin′=Y1+Yin=Y0或Zin′=Z1+Zin=Z0時，電路才呈現(xiàn)匹配狀態(tài)，那么，則要求

G0(f)=Y0，jB1(f)+jB0(f)=0,

R0(f)=Z0，jX1(f)+jX0(f)=0。

對于半波對稱振子來說，R0(f)或1/Y0(f)大約在7080之間，半波對稱振子天線與標準50同軸饋電接頭之間引入λ/4的短截線阻抗變換器是可行的。在實際設(shè)計中，阻抗變換器可以利用天線安裝距離接地板λ/4這段空間來實現(xiàn)。進一步分析表明，如果短截線采用并聯(lián)方式，并聯(lián)短截線必須是末端開路的，因末端開路傳輸線因存在輻射而非理想開路，那么必然增加饋電結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和電性能的不確定性，因此，短截線只能采取末端短路的串聯(lián)的方式，并且串聯(lián)短截線的特性阻抗Z1(f)盡可能小，否則電抗變化斜率過大，與半波對稱振子輸入阻抗電抗部分變化斜率不一致，影響匹配帶寬。

3結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)上述分析可知，半波對稱振子天線要實現(xiàn)寬帶匹配，其組成包括半波對稱振子、阻抗變換器、串接的短路短截線、安裝底板和同軸接口。實際設(shè)計中如何做到在不增加天線架設(shè)高度的前提下，將串聯(lián)的短截線融入阻抗變換器中成為設(shè)計的關(guān)鍵，為此，提出一種同軸套筒結(jié)構(gòu)，將平衡轉(zhuǎn)換器、阻抗變換段和串聯(lián)短截線三者有效結(jié)合，將其總高度控制在λ/4范圍內(nèi)，天線結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6　大功率寬帶超短波天線結(jié)構(gòu)

通常對稱振子匹配方法是同軸線外導(dǎo)體上對稱地開2條長度為λ/4縫隙。由于縫隙式平衡轉(zhuǎn)換器的帶寬只有10%[5-6]，而且功率容量小。因此，超短波天線選用能承受大功率的空氣板線平衡轉(zhuǎn)換器[7]，空氣板線內(nèi)導(dǎo)體采用圓柱形式，板線內(nèi)導(dǎo)體一端設(shè)計成同軸套筒結(jié)構(gòu)，相當于在空氣板線中串接一段末段短路的同軸線，使同軸線內(nèi)導(dǎo)體外徑與外導(dǎo)體內(nèi)徑相差很小，能方便實現(xiàn)Z1(f)Z0的要求。同軸套筒中的間隙部分填充聚四氟乙烯套，以增強其抗擊穿能力，進一步降低串聯(lián)短路短截同軸線的特性阻抗。

4仿真結(jié)果分析

仿真結(jié)構(gòu)尺寸選取原則如下：

① 雖然加粗對稱振子直徑有利于能增加阻抗匹配帶寬，但一般不應(yīng)超過0.035λ，否則末端效應(yīng)明顯，影響天線的輻射效率；單臂振子長度取0.23λ。

② 為了防止電磁泄漏，板線寬度取內(nèi)導(dǎo)體直徑(或?qū)挾?的2.5～3倍[8]。

③ 同軸套筒形成的短路短截線長度不應(yīng)超過0.1λ，內(nèi)導(dǎo)體外徑和外導(dǎo)體內(nèi)徑形成的間隙一般取2～3 mm，否則，短截線引入的電抗隨頻率變化劇烈，串入Z1值偏大，影響功率容量。

④ 振子中心距離底板高度取0.24λ。

根據(jù)上述結(jié)構(gòu)尺寸選取原則，在仿真軟件中建立天線模型，進行仿真，以工作帶寬內(nèi)駐波比小于1.2為目標，優(yōu)化出合理的結(jié)構(gòu)尺寸，并根據(jù)優(yōu)化出的結(jié)構(gòu)尺寸加工了天線樣機，其駐波比的仿真結(jié)果和實測結(jié)果基本一致，寬帶超短波天線的駐波比仿真和實測結(jié)果如圖7所示。對天線樣機進行了功率耐受試驗，試驗結(jié)果表明：天線至少可耐受5 kW的連續(xù)波功率。

圖7　天線的駐波比仿真和測試結(jié)果

5實際問題討論

在天線產(chǎn)品加工和裝配完成后，在駐波比測試過程中遇到了幾個問題，在這里給出以下討論：

① 對于VHF頻段天線來說，周圍環(huán)境對天線的性能影響較大，因此在天線測試過程中，必須嚴格按照天線駐波比測試方法要求進行[9]。將天線安裝在2 m×2 m的金屬板上，并且架高于2 m且周圍空曠地帶，否則影響測試結(jié)果。

② 在駐波比測試過程中發(fā)現(xiàn)，嚴格按照仿真優(yōu)化后的尺寸制作的天線，所測的駐波比大于仿真值，當將板間距調(diào)整到略小于仿真值之后，測試結(jié)果與仿真結(jié)果基本一致，這可能是板線結(jié)構(gòu)存在輻射所致。

③ 將此種匹配結(jié)構(gòu)移植到過去一些TEM模饋電結(jié)構(gòu)中進行了拓展性研究，以期擴大應(yīng)用范圍，結(jié)果表明，此種匹配結(jié)構(gòu)在30%帶寬內(nèi)能夠?qū)崿F(xiàn)駐波比小于1.5的要求。

6結(jié)束語

介紹了一種大功率寬帶超短波天線的設(shè)計，研究了增加帶寬的匹配結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)簡單，與常規(guī)的饋電結(jié)構(gòu)進行巧妙結(jié)合。通過VHF天線的仿真及測試，證明使用該匹配結(jié)構(gòu)是一種實現(xiàn)寬帶低駐波行之有效的方法。應(yīng)用該項技術(shù)設(shè)計研制的天線，既滿足增益和波束寬度要求，又滿足了低駐波比和承受大功率要求。

參考文獻

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金偉清男，(1977—)，工程師。主要研究方向：飛行器天線。

陳隨斌男，(1962—)，研究員。主要研究方向：飛行器天線。

作者簡介

中圖分類號TN015

文獻標志碼A

文章編號1003-3106(2016)04-0071-04

收稿日期：2016-01-08

doi:10.3969/j.issn.1003-3106.2016.04.18

引用格式：金偉清,章泉源,陳隨斌,等.大功率寬帶超短波天線的設(shè)計與實現(xiàn)[J].無線電工程,2016,46(4):71-74.