圓柱共形全向圓極化天線的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

0 引言

隨著現(xiàn)代通信、軍事不斷發(fā)展，在雷達(dá)、通訊及信息對(duì)抗領(lǐng)域中，對(duì)共形天線的需求越來(lái)越強(qiáng)烈。由于共形天線能與飛行器表面共形，不但能較好地適應(yīng)其空氣動(dòng)力性能，而且不會(huì)破壞其機(jī)械結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度，已被廣泛應(yīng)用于航空、航天等領(lǐng)域。

微帶天線具有體積小、重量輕、剖面低、易共形等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為共形陣天線單元的主要形式之一。共形微帶天線由于具有不額外占用空間、不引入任何附加空氣動(dòng)力阻力、對(duì)飛行姿態(tài)影響小等優(yōu)點(diǎn)，使得它在高速運(yùn)動(dòng)的物體上，例如火箭、衛(wèi)星、導(dǎo)彈和各種飛行器等有廣闊的應(yīng)用前景[1,2]。為了保證在激烈擺動(dòng)或滾動(dòng)的載體上接收到信號(hào)，并盡可能減小信號(hào)漏失的影響，適于采用圓極化的形式，因此研究圓柱共形圓極化天線陣具有良好的工程應(yīng)用前景。

由于傳統(tǒng)的單個(gè)微帶天線的增益及方向性覆蓋性有限，可以用微帶天線陣列來(lái)實(shí)現(xiàn)[3]。文獻(xiàn)[4]采用微帶八木天線結(jié)構(gòu)形式，設(shè)計(jì)了一種載體的引向天線，并對(duì)天線的增益進(jìn)行了優(yōu)化；文獻(xiàn)[5]提出了一種利用保距變換設(shè)計(jì)寬波束圓柱共形毫米波微帶天線的方法，并利用保角變換設(shè)計(jì)了天線的饋線；文獻(xiàn)[6]采用旋轉(zhuǎn)對(duì)稱十字型結(jié)構(gòu)的印刷八木天線為基本單元，設(shè)計(jì)了一種工作于X波段的彈載寬帶圓極化四元陣，微帶共形陣列天線性能得到了一定提高。但仍然存在一定問(wèn)題，如天線體積過(guò)大，不易共形，空間布局不太合理，天線集成度較差、天線調(diào)試復(fù)雜繁瑣等。本文采用16元微帶貼片天線陣列環(huán)繞圓周布局，饋電網(wǎng)絡(luò)與天線單元集成在同一介質(zhì)基板上，易于加工和制作，天線陣列調(diào)試方法簡(jiǎn)單可靠，天線樣機(jī)實(shí)用性較強(qiáng)。

1 共形天線單元的設(shè)計(jì)

圖1所示為平面天線輻射單元結(jié)構(gòu)圖。其中W為方形貼片單元邊長(zhǎng)，C為貼片切角邊長(zhǎng)，l1和l2分別為微帶調(diào)配枝節(jié)長(zhǎng)度，εr和h分別為介質(zhì)基板的相對(duì)介電常數(shù)和厚度。為方便組陣，貼片單元饋電線采用L型調(diào)配枝節(jié)進(jìn)行阻抗匹配[8]。

圖1 平面天線單元結(jié)構(gòu)示意圖

方形貼片邊長(zhǎng)W和切角C的初值可按照式(1)和式(2)確定：

式中，Δs為切角面積，s為方形貼片面積，Q0為貼片的品質(zhì)因數(shù)，fr為微帶天線諧振頻率，c為光在真空中的速度。

根據(jù)微分幾何理論，在曲面的變換中如果變換前后曲面上對(duì)應(yīng)曲線的交角保持不變則該變換為保角變換，如果保持曲面上任意曲線的長(zhǎng)度不變則稱為保距變換。保距變換屬于保角變換，但保角變換不一定是保距變換[5,7]。通過(guò)采用如圖2所示的保角變換，將圖1中的平面天線單元結(jié)構(gòu)變換成共形天線單元結(jié)構(gòu)，變換后的共形天線結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。通過(guò)引入保角和保距變換來(lái)分析共形微帶天線的性能，將復(fù)雜的幾何結(jié)構(gòu)映射到簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)，大大簡(jiǎn)化了共形天線及其陣列的設(shè)計(jì)。

如圖2所示為保角變換示意圖。對(duì)于天線的輻射貼片，保距變換的公式為：

圖2 共形天線保角變換示意圖

由平面單元天線經(jīng)保角變換后的共形天線結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。變換后的共形天線單元由方形貼片變?yōu)榕c圓周表面共形的矩形曲面貼片，天線單元及其饋線枝節(jié)尺寸變換后均應(yīng)進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整。

圖3 共形天線單元結(jié)構(gòu)示意圖

2 共形天線陣列的設(shè)計(jì)

對(duì)于共形陣，圓柱上任一輻射單元產(chǎn)生的輻射方向圖都不完全一樣，各個(gè)單元間的位置關(guān)系并不像直線陣或者平面陣一樣具有線性關(guān)系。各個(gè)天線單元在圓柱上的位置不同，將造成單元方向圖的最大指向不相同，因此各個(gè)天線單元的方向圖在同一方向的增益是不同的，陣列方向圖疊加將變得復(fù)雜得多。

如圖4所示為16元圓柱共形陣列天線仿真模型圖。16元微帶天線單元由四級(jí)T型一分二功分器進(jìn)行并聯(lián)饋電，實(shí)現(xiàn)了天線與饋電網(wǎng)絡(luò)的一體化設(shè)計(jì)。共形陣列天線緊貼圓柱圓周排布，在陣列天線邊緣采用金屬壓條對(duì)天線進(jìn)行安裝，并使用M2螺釘進(jìn)行固定，使天線在滾動(dòng)面上實(shí)現(xiàn)了全向覆蓋。

圖4 16元圓柱共形陣列天線仿真模型

圖5給出了16元圓柱共形陣列天線在中心頻率處得立體方向圖仿真結(jié)果，可以看出，該共形陣列天線在整個(gè)空間內(nèi)最大增益達(dá)6.2dBi，最小增益為-18.2dBi。共形陣列天線在圓柱圓周方向增益較強(qiáng)，滿足近似全向空間覆蓋。

圖5 16元圓柱共形陣列天線立體方向圖

圖6給出了16元圓柱共形陣列天線各單元電場(chǎng)分布圖，各單元上電場(chǎng)均沿順時(shí)針旋轉(zhuǎn)分布，在各單元正上方均具備左旋圓極化特性。

圖6 16元圓柱共形陣列天線各單元電場(chǎng)分布圖

3 共形天線陣列制作及測(cè)試分析

為共形天線陣列的實(shí)物照片如圖7所示。天線制作過(guò)程中采用金屬敷層表面鍍金的方法，饋電方式選用同軸電纜直接饋電，饋電接頭為SMA型連接器。天線沿圓柱載體圓周安裝時(shí)，通過(guò)采用共形天線邊緣的金屬壓條和螺釘對(duì)天線進(jìn)行固定和裝配。通過(guò)調(diào)整饋電網(wǎng)絡(luò)末端的長(zhǎng)度，可有效調(diào)節(jié)共形天線陣列的阻抗匹配情況，該調(diào)試方式簡(jiǎn)單可靠，顯著提高了共形天線陣列的設(shè)計(jì)效率。

圖7 共形天線陣列實(shí)物照片

用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對(duì)天線反射系數(shù)進(jìn)行測(cè)試，測(cè)量及仿真結(jié)果如圖8所示，可以看到，二者在整個(gè)頻帶內(nèi)的走勢(shì)趨于一致，測(cè)試電壓駐波比曲線與仿真曲線吻合較好，共形天線測(cè)試駐波帶寬相對(duì)仿真結(jié)果較寬，駐波比小于1.5的帶寬大于0.38GHz，滿足了設(shè)計(jì)要求，同時(shí)也驗(yàn)證了前期的仿真分析工作的正確性。

將被測(cè)天線安裝在圓柱載體上，在微波暗室中將其架裝在二維轉(zhuǎn)臺(tái)上，分別測(cè)量天線的垂直極化和水平極化分量，從而得出其輻射特性。天線增益為兩極化分量對(duì)應(yīng)的部分增益的合成，絕對(duì)增益通過(guò)與線極化標(biāo)準(zhǔn)增益天線BJ100波導(dǎo)比較而得到。

圖8 共形天線陣列端口駐波曲線對(duì)比圖

圖9和圖10分別為測(cè)得的共形天線陣列在滾動(dòng)面、方位面上垂直、水平極化方向圖。在滾動(dòng)面內(nèi)，除個(gè)別方向上的凹點(diǎn)外天線增益均在-10dBi以上；在方位面內(nèi)，由于受到轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)角的影響，在0°方向上增益較低，個(gè)別幾個(gè)方向上凹點(diǎn)較深，但方向?qū)ΨQ性較好，絕大部分角度增益均在-10dBi以上。

圖11所示為共形天線陣列在滾動(dòng)面上增益測(cè)試與仿真結(jié)果對(duì)比圖?？梢钥闯? 增益仿真曲線和測(cè)試曲線吻合較好，除個(gè)別幾個(gè)增益凹點(diǎn)相比仿真結(jié)果較深外，其余結(jié)果基本一致。由于天線測(cè)試時(shí)受到轉(zhuǎn)臺(tái)及安裝固定的影響較大，因此會(huì)造成天線測(cè)試結(jié)果與仿真結(jié)果有一定偏差，但偏差較小，已完全驗(yàn)證了結(jié)果的正確性。

圖9 共形天線陣列滾動(dòng)面垂直、水平極化方向圖

圖10 共形天線陣列方位面垂直、水平極化方向圖

圖11 共形天線陣列滾動(dòng)面增益對(duì)比圖

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種16單元圓柱共形圓極化天線陣列，以微帶天線為陣元，圍繞圓柱體圓周均勻布置，實(shí)現(xiàn)了全向輻射。饋電網(wǎng)絡(luò)和天線單元集成在同一介質(zhì)基板上，易于加工和制作。通過(guò)對(duì)饋電網(wǎng)絡(luò)饋電線末端長(zhǎng)度進(jìn)行調(diào)諧，可顯著改善天線陣列的阻抗匹配情況，調(diào)試方式簡(jiǎn)單可靠，顯著提高了共形天線陣列的設(shè)計(jì)效率。最后制作出了天線陣，天線測(cè)量結(jié)果與仿真結(jié)果吻合良好，表明了本文所述的設(shè)計(jì)方法的正確性。該天線陣具有剖面低、結(jié)構(gòu)緊湊、易于集成、調(diào)試簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，具有很好的實(shí)用價(jià)值和應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)：

[1]張鈞,劉克誠(chéng),張賢峰.微帶天線理論與工程[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社,1998:112-270.

[2]鐘順時(shí).微帶天線理論與應(yīng)用[M].西安:西安電子科技大學(xué)出版社,1991:127-220.

[3]吳慧峰,王建,饒玉如.K波段微帶天線陣列設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代雷達(dá),2016,38(11):61-65.

[4]馬凱,王應(yīng)龍,劉曉磊,等.載體微帶八木天線的優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].微波學(xué)報(bào),2010,35(3):134-135.

[5]毛文輝,朱旗,王少永,等.寬波束柱面共形毫米波微帶天線設(shè)計(jì)[J].電波科學(xué)學(xué)報(bào),2008,23(2):272-275.

[6]張彬,許家棟,付鵬,等.一種彈載寬帶圓極化天線陣設(shè)計(jì)[J].電子設(shè)計(jì)工程,2014,22(20):75-78.

[7]G.Caille,E.Vourch, and M.J.Martin. Conformal Array Antenna for Observation Platforms in low Earth Orbit, IEEE Antenna’s and Propagation Magazine,2002,44(3):103-104.

[8]張艷君,陳愛(ài)新.Ka波段高增益圓極化機(jī)載微帶天線陣的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].航空學(xué)報(bào),2010,31(6):1245-1249.