低頻天線測(cè)量系統(tǒng)中寬帶雙極化源天線研究

尚軍平　賈涵秀　劉少迪　左炎春　胡永浩

(西安電子科技大學(xué) 天線與微波技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,西安 710071)

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低頻天線測(cè)量系統(tǒng)中寬帶雙極化源天線研究

尚軍平賈涵秀劉少迪左炎春胡永浩

(西安電子科技大學(xué) 天線與微波技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,西安 710071)

摘要低頻天線測(cè)量系統(tǒng)中采用四脊喇叭天線作為發(fā)射源天線,為實(shí)現(xiàn)四脊喇叭天線在低頻段的小型化,設(shè)計(jì)了一種新型結(jié)構(gòu):脊邊緣采用鋁固體結(jié)構(gòu),內(nèi)部采用蜂窩結(jié)構(gòu)來(lái)減小天線尺寸和重量．利用HFSS仿真軟件對(duì)喇叭天線整體結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化,并對(duì)其進(jìn)行加工測(cè)試．仿真和測(cè)試結(jié)果表明:后腔采用可調(diào)短路板可抑制駐波奇異點(diǎn)的出現(xiàn);實(shí)際加工過(guò)程中,將聚四氟乙烯板填充在四個(gè)對(duì)稱脊中間確保脊的對(duì)稱性,并得到良好的電性能．該天線已應(yīng)用于低頻天線測(cè)試系統(tǒng),在錐形暗室中作為發(fā)射源天線來(lái)測(cè)量汽車天線的方向圖．

關(guān)鍵詞低頻;雙極化;四脊喇叭天線;可調(diào)短路板

引言

隨著電子對(duì)抗以及電子偵察技術(shù)的發(fā)展, 要求天線具有寬頻帶、 極化可變等特性[1].寬帶天線在微波測(cè)量、電磁兼容性(Electro Magnetic Compati-bility, EMC)測(cè)試、雷達(dá)、檢測(cè)系統(tǒng)和通信系統(tǒng)都有廣泛應(yīng)用．尤其是在EMC測(cè)試和天線測(cè)量中,它們的寬帶性能允許用戶在很寬頻率范圍內(nèi)測(cè)量而不需要更換測(cè)試源天線．

為了適應(yīng)無(wú)載波脈沖型雷達(dá)要求,超寬頻天線通常應(yīng)該具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、單向輻射、較小的脈沖失真、良好的線性相位和較低的反射損耗等特性．TEM 喇叭天線是探測(cè)雷達(dá)中最常用的天線,這類天線具有增益高、寬帶和色散小以及易于加工等特點(diǎn)[2].文獻(xiàn)[3]介紹了各種相關(guān)的設(shè)計(jì)和詳細(xì)的分析,比如對(duì)數(shù)周期,雙椎體,螺旋和喇叭天線．但增益和幾何尺寸的限制,使一些像對(duì)數(shù)周期天線的天線不適合用在某些空間,如錐形暗室[4].近年來(lái)脊喇叭天線比其他種類的寬帶天線使用更廣[5].隨著天線測(cè)量的發(fā)展,也更加需要在較低頻率進(jìn)行更精確的測(cè)量．然而,現(xiàn)有的最低的頻率大約是100 MHz[6-7].

車載電臺(tái)天線頻率較低,為滿足該類天線測(cè)試,研制了一種75～500 MHz低頻寬帶雙極化四脊喇叭天線,它在錐形暗室中作為暗室屏蔽體的一部分,在測(cè)量天線方向圖時(shí)作為發(fā)射源天線．測(cè)量?jī)蓚€(gè)主面方向圖時(shí)只需改變兩個(gè)激勵(lì)端口而無(wú)需轉(zhuǎn)動(dòng)源天線．該天線已成功應(yīng)用于一汽車天線測(cè)量系統(tǒng)中,獲得較好結(jié)果．

1雙極化四脊喇叭初始尺寸的設(shè)計(jì)

新型四脊喇叭天線的初始設(shè)計(jì)與傳統(tǒng)喇叭天線相同．該天線橫剖面示意圖如圖1所示,它在結(jié)構(gòu)上可以分為三部分:直波導(dǎo)段、同軸-脊波導(dǎo)變換段和帶脊喇叭段．在輻射器中加入四個(gè)脊用來(lái)展寬頻帶．

為了具備良好的阻抗?jié)u變效果,脊曲線采用指數(shù)形式,用修正后的指數(shù)函數(shù)來(lái)確定軸向曲率．在圖1所示的坐標(biāo)系中,脊曲線方程為:

Y(z)=Y(0)·eMz+Nz.

(1)

式中: M=(1/L)·ln((g/2-NL)/Y(0)),g為喇叭口面邊長(zhǎng),N一般取經(jīng)驗(yàn)值0.02; Y(0)=d/2,d為脊間最小間距．

(1.直波導(dǎo)　2.同軸——脊波導(dǎo)轉(zhuǎn)換　3.帶脊喇叭段)圖1　四脊喇叭橫截面剖面示意圖

2四脊喇叭天線結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

雙極化四脊喇叭天線由兩個(gè)正交的探針饋電,得到垂直極化和水平極化兩個(gè)極化分量,其主要的性能指標(biāo)列于表1．實(shí)際結(jié)構(gòu)如圖2．

表1　雙極化四脊喇叭天線性能參數(shù)

圖2　四脊喇叭天線

2.1直波導(dǎo)段的優(yōu)化設(shè)計(jì)

根據(jù)波導(dǎo)傳輸理論,在脊波導(dǎo)的后端加一段直波導(dǎo)(長(zhǎng)度應(yīng)小于最高工作頻率的半個(gè)波長(zhǎng)),可以濾除被激勵(lì)出來(lái)的TE20模,因此脊波導(dǎo)的可用帶寬可擴(kuò)展到λc10∶λc30,使單模工作帶寬被大大地加寬．為了抑制駐波奇異點(diǎn)的出現(xiàn),在直波導(dǎo)的底部插入一個(gè)方形可調(diào)短路腔,通過(guò)調(diào)節(jié)該短路腔可改善天線駐波性能,以獲得更低的回波損耗．

2.2同軸-直波導(dǎo)轉(zhuǎn)換的優(yōu)化設(shè)計(jì)

同軸-直波導(dǎo)段天線饋電部分采用N型同軸接頭,同軸線的外導(dǎo)體連在波導(dǎo)的側(cè)壁上,內(nèi)導(dǎo)體通過(guò)一個(gè)脊的腔體,連到另一個(gè)相對(duì)脊上形成單極輻射器,以實(shí)現(xiàn)匹配．實(shí)際制作中,將內(nèi)導(dǎo)體末端表面鍍上材質(zhì)較軟的良導(dǎo)電材料,通過(guò)擠壓方式以保證內(nèi)導(dǎo)體與脊的良好接觸．

仿真表明,電壓駐波比和隔離度對(duì)雙極化四脊喇叭天線兩個(gè)同軸內(nèi)導(dǎo)體之間的距離及同軸內(nèi)導(dǎo)體與底部波導(dǎo)之間的距離變化很敏感,因此,在天線加工時(shí)需要密切關(guān)注這兩個(gè)參數(shù)的變化．

為了實(shí)現(xiàn)N型接頭和同軸連接器之間阻抗有效匹配,在它們之間加入過(guò)渡錐形漸變結(jié)構(gòu)來(lái)維持饋線50 Ω的輸入阻抗,同時(shí),這樣做也可以有效提高連接段耐高功率電平．

天線饋電部分由兩個(gè)正交錯(cuò)開設(shè)置的探針組成．為實(shí)現(xiàn)天線兩個(gè)端口駐波比性能的一致性,本文設(shè)計(jì)了兩根直徑φ=8.4 mm的饋電探針,并優(yōu)化探針間距,使得兩饋電端口電壓駐波性能基本一致．

2.3帶脊喇叭段的優(yōu)化設(shè)計(jì)

根據(jù)喇叭天線理論,設(shè)計(jì)喇叭天線頻率很低,導(dǎo)致天線尺寸和重量較大,結(jié)構(gòu)難以實(shí)現(xiàn)．為解決這些問(wèn)題,喇叭天線的脊邊緣采用鋁固體結(jié)構(gòu),內(nèi)部采用蜂窩結(jié)構(gòu),如圖1和圖3所示．

圖3　喇叭天線脊的切角

為確保四個(gè)脊正交放置且結(jié)構(gòu)不重疊,保證脊寬和脊間距,在脊的底部加入倒角結(jié)構(gòu),通過(guò)HFSS仿真來(lái)選擇合適的角度α和寬度s1．考慮到實(shí)際加工過(guò)程中,天線結(jié)構(gòu)易變形,因而將相對(duì)介電常數(shù)為εr的聚四氟乙烯板插在四個(gè)對(duì)稱脊中間作為支撐．測(cè)量分析發(fā)現(xiàn)該聚四氟乙烯板對(duì)天線性能影響極小．

2.4外部支撐設(shè)計(jì)

天線外部使用金屬法蘭結(jié)構(gòu)固定喇叭天線以支撐天線龐大的方形結(jié)構(gòu),如圖2所示．為使天線移動(dòng)方便,將其固定在一可移動(dòng)框架小車上．在EMC測(cè)試或天線測(cè)量中若該天線作發(fā)射源天線時(shí),該天線無(wú)需轉(zhuǎn)動(dòng),只需前后移動(dòng)即可．

3天線仿真及實(shí)際測(cè)量

在四脊喇叭天線初步模型的基礎(chǔ)上,為了驗(yàn)證上述設(shè)計(jì)和保證模擬結(jié)果的正確性,利用基于有限元法的Ansoft HFSS模擬高頻率結(jié)構(gòu)模擬器對(duì)該四脊喇叭天線的結(jié)構(gòu)及參數(shù)進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化．

仿真表明,喇叭段長(zhǎng)度L和喇叭口面邊長(zhǎng)g變化對(duì)天線性能影響不大,只需根據(jù)波束寬度要求進(jìn)行微調(diào)即可;聚四氟乙烯板對(duì)天線性能的影響也很微?。且谳^寬的工作頻帶內(nèi)壓低駐波比、保持兩個(gè)極化端口的駐波比一致性,提高兩個(gè)端口的隔離度是本文的難點(diǎn),需要進(jìn)行大量的優(yōu)化仿真．優(yōu)化對(duì)象主要是脊波導(dǎo)部分和饋電部分的結(jié)構(gòu)和尺寸．通過(guò)對(duì)脊間距d、脊寬度s、脊頂端寬度s1和切角α的優(yōu)化結(jié)果表明:天線的駐波比對(duì)脊間距d最為敏感,優(yōu)化后d取20 mm±0.05 mm．s的變化對(duì)駐波比的影響不大,但其取值有一個(gè)臨界值,超過(guò)該臨界值則駐波比曲線整體上浮,為減輕重量s取臨界值49 mm．α過(guò)大駐波比曲線整體上浮,s1過(guò)小上下邊頻的駐波比將大幅增加．另外,底部與脊之間的距離和可調(diào)短路板的位置對(duì)回波損耗也會(huì)產(chǎn)生一定影響．

圖4給出了該天線的兩個(gè)激勵(lì)端口的電壓駐波比實(shí)測(cè)結(jié)果,圖5給出了兩個(gè)同軸接口之間的隔離度．測(cè)試結(jié)果表明,電壓駐波比絕大部分小于2.0,隔離度在工作頻帶內(nèi)大于30 dB．

圖4　工作頻帶每個(gè)同軸面上駐波比實(shí)測(cè)結(jié)果

圖5　工作頻帶兩個(gè)同軸端口之間的隔離度實(shí)測(cè)結(jié)果

增益采用比較法點(diǎn)頻測(cè)試,測(cè)試十個(gè)頻點(diǎn)水平和垂直極化的增益幾乎是相同的,測(cè)試結(jié)果如圖6所示．

圖6　工作頻帶增益實(shí)測(cè)結(jié)果

4結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種新型75～500 MHz寬帶低頻雙極化四脊喇叭天線．經(jīng)過(guò)仿真建模和優(yōu)化設(shè)計(jì),嚴(yán)格的加工工藝．該天線的兩個(gè)端口電壓駐波比、兩個(gè)饋電端口的一致性及兩端口隔離度均獲得良好的結(jié)果．該天線在低頻端相比其它天線有較大的增益,并可作為微波暗室屏蔽體的一部分,且已成功用于汽車廣播天線的EMC測(cè)試和天線測(cè)量中,如圖7所示．

圖7　在微波暗室的四脊喇叭天線

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Broadband and dual-polarized antenna in low frequency antenna measurement system

SHANG JunpingJIA HanxiuLIU ShaodiZUO YanchunHU Yonghao

(NationalLaboratoryofAntennasandMicrowaveTechnology,XidianUniversity,Xi’an710071,China)

AbstractTo reduce the weight of the dual-polarized quadruple-ridged horn antenna over the frequency range of 75-500 MHz, a composite sandwich structure is used to build the antenna, which comprises solid aluminium and honeycomb materials. The parameters of structure are optimized by Ansoft HFSS software, and an adjustable shorting plate is put at the bottom of the antenna to prevent the occurrence of singularities created by standing waves. A modified Teflon board is inserted into the interspace between the four symmetric ridges. Both simulation results and measurement results show that the satisfied impedance and pattern characteristics for interested bands are obtained.

Keywordslow frequency; dual polarization; quad-ridged horn antenna; adjustable shorting plate

收稿日期：2015-05-22

中圖分類號(hào)TN821+.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼A

文章編號(hào)1005-0388(2016)02-0336-04

DOI10.13443/j.cjors.2015052202

作者簡(jiǎn)介

尚軍平(1964-),男,陜西人，博士,副教授,研究方向?yàn)樘炀€近遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)量技術(shù)及應(yīng)用．

賈涵秀(1991-),女,陜西人，碩士,研究方向?yàn)榻鼒?chǎng)天線測(cè)量系統(tǒng)中測(cè)量探頭應(yīng)用．

尚軍平, 賈涵秀, 劉少迪, 等. 低頻天線測(cè)量系統(tǒng)中寬帶雙極化源天線研究[J]. 電波科學(xué)學(xué)報(bào),2016,31(2):336-339. DOI:10.13443/j.cjors.2015052202

SHANG J P, JIA H X, LIU S D, et al. Broadband and dual-polarized antenna in low frequency antenna measurement system[J].Chinese journal of radio science. (in Chinese).2016,31(2):336-339. DOI:10.13443/j.cjors.2015052202

資助項(xiàng)目: 企業(yè)創(chuàng)新基金(HX0110260715)

聯(lián)系人： 尚軍平 E-mail:jpshang@mail.xidian.edu.cn