X波段空中輻射場(chǎng)測(cè)量中的天線設(shè)計(jì)與應(yīng)用

景 洪， 郝文析， 劉英君， 宗子健， 劉 敏

(西北核技術(shù)研究所，陜西 西安 710024)

1 引 言

微波輻射場(chǎng)測(cè)量是衡量環(huán)境電磁水平的主要方法之一,常規(guī)的輻射場(chǎng)測(cè)量主要在地面固定平臺(tái)上進(jìn)行,并且預(yù)知來(lái)波信號(hào)極化方向,因此通常采用開(kāi)口喇叭或者振子天線等線極化天線用作接收天線[1,2]。當(dāng)在遠(yuǎn)距離高空中開(kāi)展微波輻射場(chǎng)測(cè)量時(shí),由于在視距外和存在高空風(fēng)等影響因素,空中平臺(tái)姿態(tài)難以固定,接收天線容易發(fā)生旋轉(zhuǎn)和擺動(dòng),這時(shí)如果來(lái)波形信號(hào)極化方向未知,在這些情況下若采用常規(guī)的線極化天線作接收天線,則會(huì)造成極化失配，產(chǎn)生較大的測(cè)量不確定度。根據(jù)天線理論,圓極化天線對(duì)任意極化方向的線極化電磁波都可以接收,因此獲得了學(xué)者的廣泛關(guān)注。對(duì)圓極化天線的研究工作主要集中在設(shè)計(jì)方法和指標(biāo)的優(yōu)化[3～12],針對(duì)空中輻射場(chǎng)高精度測(cè)量的研究較少。

本文在分析影響空中輻射場(chǎng)測(cè)量精度主要因素的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)了微帶低軸比圓極化陣列天線,使天線在9.7 GHz時(shí)軸比(axial ratio, AR)降低至約0.1 dB,應(yīng)用該天線可以將極化失配不確定度減小到0.1 dB以內(nèi),并具有較強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)性,適用于X波段空中輻射場(chǎng)精確測(cè)量。

2 測(cè)量系統(tǒng)與不確定度分析

一個(gè)典型的X波段空中輻射場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)主要由接收天線、微波電纜、衰減環(huán)節(jié)、檢波器和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成,如圖1所示。使用時(shí)測(cè)量系統(tǒng)放置在空中平臺(tái)上。

圖1 空中輻射場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)Fig.1 Airborne radiation field measurement system

空間中電磁波信號(hào)經(jīng)過(guò)天線接收后,通過(guò)傳輸衰減環(huán)節(jié)將信號(hào)衰減到檢波器可以處理的功率范圍(檢波輸出為直流信號(hào)),由數(shù)采系統(tǒng)進(jìn)行采集處理。輻射場(chǎng)功率密度計(jì)算公式表示為：

(1)

式中：pd為測(cè)點(diǎn)處的輻射場(chǎng)功率密度；Pr為測(cè)量系統(tǒng)接收功率；Ae為接收天線有效面積；Pdet為檢波器輸入功率；A為衰減環(huán)節(jié)的衰減量。

影響高功率微波(high-power microwre, HPM)空中輻射場(chǎng)測(cè)量不確定度的主要因素包括：1) 系統(tǒng)定標(biāo)精度。包括天線有效面積、衰減環(huán)節(jié)、檢波器等方面的定標(biāo)精度；2) 極化失配影響。主要包括系統(tǒng)在空中輻射測(cè)量時(shí),來(lái)波信號(hào)極化方向難以確定,且受飛行平臺(tái)姿態(tài)的影響,接收天線指向和極化方向難以精確控制,因此極化失配影響是不確定度主要因素。

如果將所有天線都視為有一定軸比的天線,線極化天線的軸比視為無(wú)窮大,這樣在天線理論中,可以將收發(fā)天線的極化不一致用統(tǒng)一的極化損失系數(shù)K來(lái)描述[12]：

(2)

式中：r1,r2為收發(fā)天線的軸比；φ為收發(fā)天線極化橢圓長(zhǎng)軸的夾角。對(duì)于發(fā)射天線為同一極化方向的線極化波,線極化天線與圓極化天線(軸比0～3 dB)作為接收天線時(shí),其極化夾角φ為0°～90°,極化損失系數(shù)與天線軸比和極化角的關(guān)系如圖2所示。

圖2 極化損失系數(shù)與天線軸比和極化角的關(guān)系Fig.2 The relationship between polarization loss coefficient, antenna axial ratio and polarization angle

采用線極化接收天線,當(dāng)存在45°的極化偏角時(shí),極化失配引入的不確定度約2.1 dB；若存在30°的極化偏角時(shí),極化失配引入的不確定度約0.9 dB。因此,常規(guī)的線極化天線難以滿足空中輻射場(chǎng)高精度測(cè)量的需求。

如果圓極化接收天線軸比接近于1(即0 dB)時(shí),極化損失系數(shù)K為固定值,也就是說(shuō)即使來(lái)波信號(hào)極化方向在360°范圍內(nèi)偏轉(zhuǎn),圓極化天線仍然可以獲得一致的測(cè)量結(jié)果。

3 低軸比圓極化天線設(shè)計(jì)

從第2節(jié)分析可知,如果能夠設(shè)計(jì)一個(gè)軸比接近于1(即0 dB)的圓極化天線,那么空中微波輻射場(chǎng)測(cè)量的精度將得到有效的提高。

單點(diǎn)饋電的圓極化單元天線由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,已得到廣泛的應(yīng)用,其基本原理是在形狀規(guī)則的微帶天線上改變饋電點(diǎn)位置或者增加簡(jiǎn)并模分離單元,分離簡(jiǎn)并正交模諧振頻率,讓2個(gè)模等效阻抗相角分別滯后45°或者超前45°,從而形成圓極化輻射。但由于簡(jiǎn)并模分離單元的引入，破壞了天線輻射場(chǎng)的均勻性,使得軸比一般大于0.5 dB。

將單元天線進(jìn)行組陣可以提高圓極化的純度,陣列天線陣元排列形式、陣元間距、介電常數(shù)、介質(zhì)材料等都會(huì)對(duì)單元間的互耦造成影響。因此本文采用一種順序旋轉(zhuǎn)饋電方式來(lái)組陣,4個(gè)單元天線空間上連續(xù)旋轉(zhuǎn)90°,采用等幅移相(連續(xù)移相90°)信號(hào)給每個(gè)單元饋電,圓極化天線結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 圓極化天線結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of circularly polarized antenna

圖3所示的天線介質(zhì)相對(duì)介電常數(shù)為3.38，厚度Sw為1.524 mm,單元半徑r1為4.08 mm,陣列邊長(zhǎng)l1為40.8 mm,單元間距l(xiāng)2為20.4 mm,天線實(shí)物和測(cè)試場(chǎng)景如圖4所示。

圖4 圓極化天線實(shí)物圖Fig.4 Photo of circularly polarized antenna diagram

天線9.7 GHz時(shí)3 dB波束寬度約為45°,如圖5所示。天線9.7 GHz時(shí)輻射主軸低至0.1 dB,如圖6所示。

圖5 圓極化天線方向Fig.5 Measured and simulated pattern of the antenna

圖6 圓極化天線軸比Fig.6 Measured and simulated AR of the antenna

通過(guò)圖5和圖6的仿真與實(shí)測(cè)結(jié)果可見(jiàn),順序旋轉(zhuǎn)饋電可以彌補(bǔ)單元天線設(shè)計(jì)與加工誤差以及介質(zhì)基板材料不一致引入的誤差,即使每個(gè)單元天線的軸比較高,順序旋轉(zhuǎn)陣列天線主軸上仍能輻射純圓極化波[13]。極低的軸比保證了該天線用于空中輻射場(chǎng)測(cè)量時(shí)可以準(zhǔn)確地接收不同極化方向的信號(hào)。

4 天線環(huán)境適應(yīng)性考核

4.1 溫度適應(yīng)性

空中輻射場(chǎng)測(cè)量時(shí),隨著高度升高3 km時(shí)(海拔高度每升高100 m,氣溫下降0.6 ℃),環(huán)境溫度會(huì)降低10 ℃以上。因此需要考察溫度變化對(duì)天線性能的影響。微帶陣列圓極化天線選用了碳?xì)涮沾苫?該板材相對(duì)介電常數(shù)的溫度系數(shù)為40×10-6/℃,環(huán)境溫度變化幾十℃基本不影響微帶天線性能。天線使用了焊接方式饋電,采用了可用于 -30 ℃ 環(huán)境下的焊錫,以避免出現(xiàn)焊接處崩落影響天線性能的情況。此外還對(duì)天線采用了抗氧化、抗腐蝕等表面工藝,提高天線穩(wěn)定性[14,15]。

高低溫測(cè)試結(jié)果表明,常溫(26 ℃)到低溫(-6 ℃),溫度跨度32 ℃,天線軸比偏差小于0.1 dB,性能參數(shù)無(wú)明顯變化,較為穩(wěn)定。

4.2 功率容量

空中輻射場(chǎng)測(cè)量時(shí),由于對(duì)環(huán)境電磁水平無(wú)法預(yù)知,因此需要對(duì)天線自身的功率承受能力進(jìn)行分析。介質(zhì)和導(dǎo)體損耗所引起的溫度上升限制了微帶線的平均功率容量[14],而微帶線能承受的最大峰值功率可表示為：

(3)

式中：Vmax為最大不擊穿電壓；ZC為特性阻抗。

對(duì)于相同的耐壓強(qiáng)度Vmax，介質(zhì)材料越厚和特性阻抗越小,則峰值功率容量越大。空氣耐壓強(qiáng)度約30 kV/cm,常見(jiàn)基片材料中聚苯乙烯耐壓強(qiáng)度為280 kV/cm、硅耐壓強(qiáng)度300 kV/cm。所設(shè)計(jì)的圓極化天線選用厚度h=1.524 mm的碳?xì)涮沾苫?耐壓強(qiáng)度312 kV/cm,計(jì)算所得峰值功率容量超過(guò)1.5 kW。輻照實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,圓極化天線在功率密度100 W/cm2時(shí),未出現(xiàn)擊穿現(xiàn)象,可以穩(wěn)定一致地獲取信號(hào)。

5 低軸比圓極化天線應(yīng)用

將所設(shè)計(jì)的低軸比圓極化天線應(yīng)用于X波段空中輻射場(chǎng)測(cè)量,某次實(shí)驗(yàn)的測(cè)量不確定度主要因素如表1所示。

從表1中可以看出,采用低軸比圓極化天線作為接收天線時(shí),天線極化失配引入的不確定度僅約為0.04 dB,已成為不確定度分量中的一個(gè)較小分量,空中輻射場(chǎng)測(cè)量接收功率合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度小于0.3 dB。

表1 X波段空中輻射場(chǎng)測(cè)量不確定度Tab.1 The uncertainty of X band airborne microwave radiation field measurement dB

6 結(jié) 論

本文首先對(duì)影響空中微波輻射場(chǎng)測(cè)量精度的主要因素進(jìn)行了分析,并針對(duì)常規(guī)線極化接收天線容易因?yàn)闃O化失配引入較大不確定度的問(wèn)題,設(shè)計(jì)了一種低軸比微帶圓極化陣列天線。該天線在 9.7 GHz， 3 dB波束寬度約45°，軸比低至0.1 dB，應(yīng)用該天線可以將極化失配不確定度減小到0.1 dB以內(nèi),并具有較強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)性,適用于X波段空中輻射場(chǎng)精確測(cè)量,具有較好的應(yīng)用前景。

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