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)
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。
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)。
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
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。
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。
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
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。