應(yīng)用于電磁測量系統(tǒng)的正弦天線設(shè)計(jì)

商 鋒, 李國棟

(西安郵電大學(xué) 電子工程學(xué)院， 陜西 西安 710121)

衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)中包含高集成度的電子元器件。這些電子元器件對電磁輻射非常敏感。在衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的生產(chǎn)和投入使用過程中需要測量導(dǎo)航系統(tǒng)周圍的電磁場景。相對于實(shí)際測量，采用仿真方式的電磁測量系統(tǒng)能夠更直觀地仿真電子設(shè)備周圍的電磁環(huán)境，具有經(jīng)濟(jì)、安全、迅速、靈活等優(yōu)點(diǎn)，得到了廣泛應(yīng)用[1]。應(yīng)用于衛(wèi)星導(dǎo)航的電磁測量系統(tǒng)利用天線模擬衛(wèi)星導(dǎo)航信號和衛(wèi)星干擾信號，從而仿真導(dǎo)航設(shè)備周圍的電磁干擾環(huán)境[2-3]。為了盡可能寬地覆蓋各衛(wèi)星導(dǎo)航頻點(diǎn)，電磁測量系統(tǒng)的天線一般要求能在左旋圓極化和右旋圓極化之間實(shí)現(xiàn)極化方式的切換，即采用雙圓極化方式。

目前常用的衛(wèi)星導(dǎo)航電磁測量系統(tǒng)天線多采用阿基米德螺旋天線、等角螺旋天線和微帶天線等方式。阿基米德螺旋天線[4]和等角螺旋天線[5]具有寬帶圓極化的特點(diǎn)，但是單根天線無法實(shí)現(xiàn)雙圓極化，需要采用多根天線，增加了系統(tǒng)的復(fù)雜度。微帶天線能夠?qū)崿F(xiàn)雙圓極化性能，但其工作頻帶約為0.1%～1.9%[6-8]，頻帶較窄。當(dāng)系統(tǒng)需要多個(gè)導(dǎo)航頻點(diǎn)以及高增益、旋向可切換的天線時(shí)，就需要多個(gè)微帶天線來滿足測量系統(tǒng)的覆蓋帶寬要求，這會(huì)增加電磁測量系統(tǒng)中的天線數(shù)量，增大系統(tǒng)的復(fù)雜度和成本。

正弦天線具有寬頻帶、高增益、全極化的特點(diǎn)[9]，可以通過饋電網(wǎng)絡(luò)移相方式實(shí)現(xiàn)雙圓極化。正弦天線的高增益特性，可以為電磁測量系統(tǒng)的射頻鏈路提供增益余量，其寬頻帶和雙圓極化特性可以減少系統(tǒng)中導(dǎo)航天線的使用數(shù)量。

為了減小電磁測量系統(tǒng)的復(fù)雜度，實(shí)現(xiàn)天線的寬頻帶和雙圓極化特性，本文擬設(shè)計(jì)一款應(yīng)用于衛(wèi)星導(dǎo)航電磁測量系統(tǒng)的正弦天線。利用平面正弦天線結(jié)構(gòu)作為輻射器，輸入端采用指數(shù)漸變的巴倫結(jié)構(gòu)阻抗匹配，使用3 dB電橋?qū)崿F(xiàn)天線雙圓極化輻射，采用圓錐形平臺金屬反射腔，實(shí)現(xiàn)天線的單向輻射。

1 正弦天線理論及其設(shè)計(jì)

1.1 正弦曲線

正弦天線的結(jié)構(gòu)由正弦曲線通過適當(dāng)旋轉(zhuǎn)構(gòu)成，正弦曲線由角度和比例因子決定，其曲線由一系列單元組線段構(gòu)成，定義第p個(gè)單元組線段[10]為

其中：r和φ為曲線的極坐標(biāo)；αp為第p個(gè)線段的角度，αp決定了基本正弦曲線的角寬度；Rp表示第p個(gè)單元的徑向距離；τp為第p個(gè)線段的比例因子，表示第p和第p+1相鄰兩單元鏡像距離的比值[11]。

相鄰兩個(gè)單元半徑之間的關(guān)系可以表示為

Rp=τp-1Rp-1。

1.2 正弦天線結(jié)構(gòu)

將正弦曲線圍繞坐標(biāo)原點(diǎn)順時(shí)針和逆時(shí)針各旋轉(zhuǎn)角度δ，分別得到兩條曲線

正弦天線輻射臂結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 正弦天線輻射臂結(jié)構(gòu)

正弦天線輻射器由以τp為比例因子的正弦曲線構(gòu)成，輻射器臂長接近于半波長或半波長奇數(shù)倍的區(qū)域?yàn)檩椛鋮^(qū)，臂長小于半波長的區(qū)域?yàn)閭鬏攨^(qū)[12]。

令天線工作波長為λ，則天線的工作頻帶與天線正弦曲線尺寸之間的近似關(guān)系[9]可以表示為

2r(αp+δ)≈λ/2。

根據(jù)天線工作頻帶的上、下限頻率，可以近似求出R1和Rp的值[9]分別為

其中，λ1和λH分別表示最低、最高頻率對應(yīng)的波長。

1.3 正弦天線輻射原理

正弦天線是一種非頻變天線。正弦天線輻射原理如圖2所示。正弦天線2個(gè)輻射臂沿x軸分布，設(shè)其工作區(qū)中P點(diǎn)和P′點(diǎn)的電流密度矢量分別為J和J′，它們是與電場強(qiáng)度方向一致的矢量。將其分別分解為沿x軸的分量Jx、J′x和沿y軸的分量Jy、J′y。在輻射過程中，Jx與J′x反向抵消，Jy與J′y同相疊加，導(dǎo)致沿x軸分布的兩個(gè)正弦輻射臂電場極化方向?yàn)閥軸方向。對2個(gè)輻射臂進(jìn)行相位差180°的反向饋電時(shí)，電場沿輻射臂軸線方向輻射，在天線的正反面均有輻射。對于四臂正弦天線，通過對其沿x軸和沿y軸的輻射臂進(jìn)行相移，就能實(shí)現(xiàn)天線順時(shí)針或者逆時(shí)針的旋向特點(diǎn)，即雙圓極化輻射特性。

圖2 正弦天線輻射原理

2 天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

正弦天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要是設(shè)計(jì)天線輻射器、饋電巴倫、反射腔和雙圓極化4個(gè)方面。

2.1 天線輻射器設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的正弦天線工作頻帶為1.0 GHz～2.6 GHz，參數(shù)δ=22.5°，正弦角度α=45°，輻射貼片印刷在厚度h=2 mm、φ=165 mm、相對介電常數(shù)為2.65的聚四氟乙烯介質(zhì)板上。設(shè)計(jì)的天線輻射器如圖3所示。

圖3 四臂正弦天線輻射器

2.2 饋電巴倫設(shè)計(jì)

為了獲得正弦天線相對的兩個(gè)輻射臂等幅反向饋電，需要設(shè)計(jì)50 Ω阻抗到輻射臂的阻抗變換巴倫，本文采用指數(shù)漸變的微帶線到平行雙線的巴倫結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，其原理和結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 饋電巴倫的原理和結(jié)構(gòu)

圖4中，l為巴倫總長度，Z0為輸入端阻抗，Zl為終端阻抗。天線對地的阻抗為[9]

ZM=30π/[sin(π/N)]。

其中，天線臂數(shù)N=4，由此可得每個(gè)臂對地阻抗為133.3 Ω。饋電巴倫的終端阻抗Zl取133.3 Ω，Z0取同軸線的特性阻抗50 Ω[11]，在饋電巴倫結(jié)構(gòu)中，W1一端為50 Ω阻抗，W一端為133 Ω阻抗，l取工作頻帶內(nèi)中心頻率所對應(yīng)波長的一半。

2.3 反射腔設(shè)計(jì)

為獲得單向的右旋圓極化輻射，在天線底部平底型反射腔的基礎(chǔ)上增加圓錐形平臺反射腔，其結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 反射腔結(jié)構(gòu)

圓錐形平臺頂端與天線的距離h1取天線工作頻段最高頻率波長的1/4，平臺底端與天線距離H取天線工作頻段最低頻率波長的1/4。圓錐形平臺頂端周長對應(yīng)頻帶內(nèi)最高頻率工作點(diǎn)的波長，底端周長對應(yīng)頻帶內(nèi)最低頻率工作點(diǎn)的波長。

正弦天線具有雙向輻射的特性。天線正下方輻射的左旋圓極化波經(jīng)過金屬反射腔反射后，旋向變?yōu)橛倚?，同時(shí)相位變化180°，當(dāng)反射的電磁波到達(dá)天線表面后，與天線上方的右旋圓極化波極化相同，同相疊加，以此提高增益。

2.4 雙圓極化設(shè)計(jì)

為獲得雙圓極化波，在饋電巴倫前加入3 dB的電橋，產(chǎn)生天線相鄰兩個(gè)臂之間90°的相移，輻射左旋圓極化和右旋圓極化波，電橋原理如圖6所示。

圖6 3 dB電橋原理

3 仿真和實(shí)測結(jié)果分析

使用Ansoft HFSS軟件和Agilent公司的矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀E5071C，分別對天線模型和實(shí)物進(jìn)行仿真及測試，驗(yàn)證所設(shè)計(jì)天線的性能。

3.1 仿真結(jié)果分析

使用高頻電磁場仿真軟件Ansoft HFSS對天線模型進(jìn)行仿真，仿真模型如圖7所示。

圖7 天線聯(lián)合仿真模型

天線在1.0 GHz ～ 2.6 GHz頻段內(nèi)電壓駐波比如圖8所示。

圖8 電壓駐波比

由圖8可以看出，在不加饋電巴倫直接使用同軸線對天線饋電條件下，天線在工作頻段內(nèi)駐波比在3到10的范圍內(nèi)波動(dòng)。加饋電巴倫后，全頻段駐波降低到了2.5以下。相比直接對天線饋電，使用巴倫饋電對天線的駐波改善較大。

天線在1.2 GHz、1.6 GHz和2.5 GHz頻段的方向圖分別如圖9所示。

圖9 天線方向圖對比

由圖9可以看出，在不使用反射腔條件下，天線軸向的極化增益約為5 dBic。增加反射腔后，天線軸向的右旋圓極化增益增加至8 dBic左右。這是由于反射腔反射了左旋圓極化波，提高了增益。

衛(wèi)星導(dǎo)航不同頻點(diǎn)處的天線軸向增益如表1所示。

表1 不同導(dǎo)航頻點(diǎn)的軸向增益

天線在1.2 GHz、1.6 GHz和2.5 GHz頻段的軸比如圖10所示。

圖10 天線在不同導(dǎo)航頻段的軸比

由圖10可以看出，增加反射腔可以改善天線軸比。增加反射腔后，天線的正前方軸比增加了約2 dB。

所設(shè)計(jì)的正弦天線與文獻(xiàn)[14]阿基米德螺旋天線、文獻(xiàn)[15]圓錐等角螺旋天線指標(biāo)對比如表2所示?？梢钥闯?，阿基米德螺旋天線和平面等角螺旋天線都具有寬帶與雙向輻射的特性，可以通過增加反射腔來實(shí)現(xiàn)單向輻射，其缺點(diǎn)是無法實(shí)現(xiàn)雙極化的極化方式。文獻(xiàn)[14]中的阿基米德螺旋天線采用平底型金屬反射腔，主要優(yōu)化400 MHz～1 200 MHz高頻段的增益，其增益范圍為6 dBic～9.5 dBic；其低頻段200 MHz～400 MHz增益較低，增益范圍為1.0 dBic～6.0 dBic。文獻(xiàn)[15]中的等角螺旋天線在設(shè)計(jì)時(shí)未采用反射腔，故其增益范圍較小，為3.0 dBic～6.8 dBic。

表2 不同天線指標(biāo)對比

3.2 實(shí)物測試結(jié)果

加工后的天線實(shí)物如圖11所示。

圖11 天線實(shí)物

使用Agilent公司的矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀E5071C對天線的電壓駐波比進(jìn)行測試，測試結(jié)果如圖12所示?？梢姡炀€在1.0 GHz～2.6 GHz頻段內(nèi)駐波比小于2。

圖12 實(shí)測電壓駐波比

通過微波暗室對天線的1.2 GHZ、1.6 GHz和2.5 GHz頻點(diǎn)的方向圖進(jìn)行測試，測試結(jié)果如圖13所示。

圖13 實(shí)測方向圖

由圖13可以看出，方向圖實(shí)測結(jié)果和仿真結(jié)果基本一致。

4 結(jié)語

針對電磁測量系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了一種平面正弦天線，采用指數(shù)漸變巴倫結(jié)構(gòu)改善輸入匹配，采用圓錐形平臺反射腔提高天線的軸向增益，使用3 dB電橋?qū)崿F(xiàn)天線的雙圓極化性能。仿真結(jié)果表明，正弦天線在頻段內(nèi)駐波良好，軸向增益高，相比于阿基米德螺旋天線和平面等角螺旋天線，實(shí)現(xiàn)了雙圓極化性能。根據(jù)仿真結(jié)果確定天線結(jié)構(gòu)尺寸加工實(shí)物，天線在工作頻段內(nèi)的電壓駐波比小于2，軸向增益大于7 dB，實(shí)測指標(biāo)參數(shù)與仿真結(jié)果基本一致。