一種機載寬頻帶輕量化雙偶極子測量天線設(shè)計*

雙巧玲，張巨勇，劉靖鑫，吳鋒泉，嚴(yán)瑞斌，李春光，陳志平

(1. 杭州電子科技大學(xué), 浙江 杭州 310018; 2. 中國科學(xué)院國家天文臺， 北京 100012)

引 言

天線輻射特性測量是天線研制與運行檢驗的重要環(huán)節(jié)。一般天線測量系統(tǒng)主要包括3個部分：射頻(RF)部分、機械部分(掃描架、轉(zhuǎn)臺和控制器)和工作站部分(軟件數(shù)據(jù)處理)[1]。其中，射頻部分為發(fā)射端與接收端，傳統(tǒng)的機械部分是指測試轉(zhuǎn)臺或掃描架。本文的研究對象是用小型旋翼無人機取代傳統(tǒng)測試轉(zhuǎn)臺后位于無人機上的信號發(fā)射端天線。

文獻[2-4]利用小型旋翼無人飛機開展了SKA低窄頻天線輻射特性測量實驗，其機載發(fā)射天線均是結(jié)構(gòu)簡單的單偶極子天線；文獻[5]采用雙脊喇叭天線作為機載發(fā)射天線，該雙脊喇叭天線具有較寬的頻帶，但因是線極化天線，在測量時必須沿待測面進行垂直交叉2次采樣，效率較低。

小型旋翼無人機攜載質(zhì)量會直接影響飛行所需的拉力，對多旋翼無人機而言，是螺旋槳的轉(zhuǎn)速，進而影響無人機的飛行功率，從而對電池的續(xù)航時間造成影響[6]。因此，基于小型旋翼無人機平臺的測試天線需要輕量化，以便無人機能夠攜帶且盡可能地延長無人機測試的續(xù)航時間。本文將基于小型旋翼無人機平臺測試系統(tǒng)，根據(jù)被測天線在650～1 400 MHz頻帶內(nèi)的雙極化測試需求，進行機載信號發(fā)射天線的寬頻帶、雙極化及結(jié)構(gòu)輕量化的設(shè)計研究。

1 雙偶極子天線總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 設(shè)計指標(biāo)

機載發(fā)射天線要滿足2個方面的設(shè)計要求：天線電性能和輻射性能要求；載機對天線質(zhì)量輕量化的要求。根據(jù)天線測量原理,發(fā)射天線的電性能要與被測天線匹配。被測天線是工作波段為650～1 400 MHz的雙極化蝶形天線[7]。為了在測試時使收發(fā)天線匹配，機載發(fā)射天線應(yīng)具有以下性能指標(biāo)：1) 具有圓極化或雙線極化。只有發(fā)射天線和被測天線的極化相同時才能達到極化匹配,減少極化損失；2) 工作頻率為650～1 400 MHz,且在帶寬內(nèi)的電壓駐波比要小于2.5；3)E面和H面遠場輻射方向圖等化性好，方向性相對恒定，波束穩(wěn)定。

小型旋翼無人機的攜載能力有限，且隨著攜載質(zhì)量的增加，其續(xù)航時間會相應(yīng)地減少，還會對飛行平穩(wěn)性造成影響，繼而可能影響空中測試點的位姿精度。

圖1是某小型旋翼無人機負(fù)載與續(xù)航時間的關(guān)系圖。

圖1 無人機續(xù)航時間與負(fù)載變化關(guān)系圖

該款無人機的最大上升速度為5 m/s，下降速度為3 m/s。假定機載天線要在距地面500 m的高度進行測試，為保證無人機的有效測量時間在20 min以上，攜載的測試發(fā)射端總質(zhì)量就應(yīng)在3 kg之內(nèi)。測試發(fā)射端設(shè)備除發(fā)射天線之外，還有電源、噪聲信號源及位姿測量等設(shè)備與器件。根據(jù)各器件質(zhì)量的分配設(shè)計，該發(fā)射天線結(jié)構(gòu)總質(zhì)量需控制在1 kg之內(nèi)。

1.2 天線總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

該天線結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要由2個偶極子單元和反射腔體組成。2個正交放置的偶極子天線單元作為天線輻射體，實現(xiàn)雙線極化。每個偶極子單元由一對偶極子臂及對應(yīng)的饋電部分組成，偶極子臂的形狀為多邊形板，相對于線型偶極子，采用這種結(jié)構(gòu)可以擴大阻抗匹配范圍，進而拓寬帶寬。反射腔由反射底板和圓筒側(cè)壁組成，2個偶極子單元共用一個反射底板,交叉饋電。

圖2 雙偶極子天線結(jié)構(gòu)示意圖

2 雙偶極子天線饋電部分設(shè)計

該雙偶極子天線的饋電形式如圖3所示。饋電部分由支撐管和同軸電纜線組成。該天線采用50 Ω的同軸電纜饋電，同軸電纜在傳輸TEM波時，其內(nèi)導(dǎo)體和外導(dǎo)體內(nèi)表面的電流大小相等，相位相反。饋電時，偶極子的一臂與同軸電纜的內(nèi)導(dǎo)體相連，電流為I1；另一臂與同軸電纜的外導(dǎo)體相連，外導(dǎo)體內(nèi)表面的電流I2絕大部分傳到偶極子臂上，還有一部分流到外導(dǎo)體的外表面上，這樣就會導(dǎo)致偶極子兩臂上的電流不相等，出現(xiàn)不平衡現(xiàn)象。另外，流到同軸電纜外導(dǎo)體外表面的電流還會產(chǎn)生附加輻射和損耗。

為了消除同軸電纜饋電引起的不平衡現(xiàn)象，在偶極子天線中加入巴倫結(jié)構(gòu)。如圖3所示，A-C,B-D分別是2對偶極子，2個天線十字交叉放置。采用長度為中心頻率的1/4工作波長的銅管作為偶極子臂的支撐管，銅管的直徑接近饋線同軸電纜外導(dǎo)體的直徑，這樣銅管在作為支撐管的同時，也起到了同軸電纜外導(dǎo)體的作用。

圖3 雙偶極子天線饋電結(jié)構(gòu)示意圖(不含圓筒側(cè)壁)

雙偶極子天線工作的中心頻率為900 MHz,由λ=c/f(c為電磁波的速度，即光速；f為電磁波的頻率)得波長λ= 334 mm。如圖3所示,設(shè)計的雙偶極子天線饋電部分的主要尺寸：L1= 0.262λ,L2= 0.087λ,L3= 0.064λ,L4= 0.100λ,W1= 0.078λ,W2= 0.005λ,H= 0.250λ(L1～L4為偶極子臂的邊長，H為支撐管的高度，W1為兩支撐管的中心距離，W2為相鄰偶極子臂的間隙)。

就其中一個偶極子天線A-C而言，A臂接外導(dǎo)體，即這里的支撐管；同軸電纜的內(nèi)導(dǎo)體穿過與A臂相連的支撐管和A臂上的孔，通過與支撐管同軸配合的十字連接件上面的凹槽到C臂，再通過饋電片與C臂電聯(lián)通，此處為第一饋電端口。與C臂相連的支撐管下端與反射底板相連，使與A臂相連的支撐管短路，以抑制同軸線外導(dǎo)體外表面的電流，使A、C兩臂上的電流相等，于是與C管相連的支撐管反射底板起到把不平衡轉(zhuǎn)化為平衡的巴倫作用。此時,A、C兩臂上的電流大小相等，方向相反，由于兩臂的總長為半波長，所以兩臂末端的電流相位正好相差180°。A-C構(gòu)成了天線的一個極化方向，另一個偶極子B-D采用相同的方式饋電，構(gòu)成了另一個極化方向，2個極化方向互相垂直，實現(xiàn)了雙極化。

3 雙偶極子天線輕量化設(shè)計

本文設(shè)計的天線主要在測量時使用,與室外常用固定的天線不同，該天線不需要持續(xù)地在室外服役?？紤]到無人機不會在風(fēng)雨天氣等惡劣條件下飛行測量,即該發(fā)射天線在工作時受到的環(huán)境載荷較小，因此天線結(jié)構(gòu)的強度可適當(dāng)降低，腔體構(gòu)件可實行薄化設(shè)計。

該天線若按傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)選材方案，反射腔將采用黃銅材料，其密度為8 500 kg/m3，若按設(shè)計尺寸，質(zhì)量將達到1.74 kg，再加上雙偶極子單元的質(zhì)量，總質(zhì)量就不能滿足機載發(fā)射天線的指標(biāo)要求。因此必須優(yōu)化天線結(jié)構(gòu)，進行輕量化設(shè)計。

為了滿足天線的輕量化要求，下面從材料和結(jié)構(gòu)2方面對天線的反射腔體進行改進設(shè)計。

PA6的強度和硬度高，耐熱，耐老化，機加工性能好，且密度僅為1 150 kg/m3，同樣的形狀大小，PA6反射腔的重量僅為黃銅底板的13.5%，可滿足輕量化設(shè)計要求，但PA6反射效果很差。銅箔具有低表面氧化特性，可以與各種不同基材表面貼合。因此，綜合PA6與銅箔的特點，對天線的結(jié)構(gòu)和材料進行輕量化處理。圖4和圖5分別為天線原結(jié)構(gòu)示意圖和“銅箔+PA6”結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4 天線原結(jié)構(gòu)示意圖

圖5 “銅箔+PA6”結(jié)構(gòu)示意圖

因載機對質(zhì)量的要求，對天線強度要求不需要很苛刻，能符合測量使用要求即可,因此采用貼銅箔的PA6結(jié)構(gòu)能夠滿足機載天線的強度要求。考慮到貼銅箔的可操作性和隨著使用次數(shù)的增加銅箔與PA6的黏貼性能下降而需要替換的情況，進一步把銅管與反射底板的連接方式由永久性(圖4)改為可拆卸的(圖5)，銅管不是直接焊接到反射底板上，而是先與接地圓環(huán)連接，接地圓環(huán)再通過螺栓與反射底板連接。在制作天線時，可以先在2 mm厚的PA6底板上敷一層厚度僅為0.1 mm的銅箔，這樣可避免銅箔的平整度由于中間銅管位置的干涉而受到影響，接地圓環(huán)與反射底板、圓筒側(cè)壁與反射底板均采用螺栓的連接方式以方便拆卸替換。輕量化設(shè)計后整個天線的質(zhì)量為0.541 kg，滿足載機對質(zhì)量的要求。

4 雙偶極子天線仿真分析

將雙偶極子天線的模型導(dǎo)入CST軟件作適當(dāng)簡化,反射腔采用“銅箔+PA6”設(shè)計,如圖6所示。采用離散端口饋電,輸入阻抗值與饋電線的特性阻抗相同，皆為50 Ω。掃描的頻率范圍設(shè)為650 ～1 400 MHz。

圖6 仿真簡化模型

圖7、圖8和圖9分別為雙偶極子天線的回波損耗曲線、電壓駐波比曲線以及在各頻點處的E面和H面方向圖。

圖7 雙偶極子天線的回波損耗曲線

圖8 雙偶極子天線的電壓駐波比曲線

圖9 雙偶極子天線在各頻點處的E面和H面方向圖

從圖7天線的回波損耗圖可以看出，在650 ～1 400 MHz的頻帶內(nèi)天線的反射系數(shù)S11值均小于-8 dB，2個偶極子間交叉極化值S21在-55 dB以下,說明2個偶極子天線單元具有很好的隔離度。從圖8雙偶極子天線2個激勵端口的電壓駐波比的曲線可以看出，在650 ～1 400 MHz的頻帶內(nèi)，電壓駐波比小于2.5，表明該天線能在一個寬頻帶內(nèi)工作。

從圖9可以看出：在各頻點處，天線的最大增益是相同的，并且增益值隨頻率的增加而變大。在850 MHz、950 MHz、1 050 MHz和1 150 MHz頻點處，E面方向圖和H面方向圖的半功率波束寬度幾乎相同，說明等化性相對更好。

綜上所述，可以看出雙偶極子天線在650 ～1 400 MHz的寬頻帶內(nèi)具有良好的電性能和輻射特性，滿足對寬頻帶、雙極化天線測量的要求。根據(jù)仿真優(yōu)化的數(shù)據(jù)制作好的機載雙偶極子天線實物如圖10所示。

圖10 機載雙偶極子天線實物樣機照片

5 結(jié)束語

本文設(shè)計的雙偶極子天線采用十字交叉的雙偶極子天線單元，實現(xiàn)了雙極化；“PA6+銅箔”的反射腔設(shè)計使最終天線的質(zhì)量降到0.6 kg以下，實現(xiàn)了輕量化的機載要求。仿真結(jié)果表明，雙偶極子天線在650 ～1 400 MHz的寬頻帶內(nèi)有良好的電性能和輻射特性，滿足對寬頻帶、雙極化天線測量的要求。下一步將對天線進行電性能和輻射性能測試。