L波段高增益全向天線的設(shè)計(jì)

馮文文，高 初，左 斌，秦 浩

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所，合肥 230088)

0 引 言

全向天線廣泛應(yīng)用于雷達(dá)和通信系統(tǒng)，其波束可實(shí)現(xiàn)水平方向360°的均勻輻射。常見的全向天線大多為微帶形式[1-3]。微帶全向天線制作簡(jiǎn)單，重量輕，成本低，易于大批量生產(chǎn)，但該形式的天線承受功率小，效率低。如果該類天線實(shí)現(xiàn)全向高增益方向圖，則須增加微帶板的長(zhǎng)度，進(jìn)而影響天線的力學(xué)特性。盤錐結(jié)構(gòu)[4]全向天線常在寬頻段工作，該類天線水平面方向圖圓度指標(biāo)較好，但在垂直面不易形成系統(tǒng)需要的賦形方向圖。同軸套筒天線[5]是另一種常用的全向天線結(jié)構(gòu)，采用同軸線饋電，利用軸向排列多個(gè)套筒結(jié)構(gòu)，可以在垂直方向上形成一定的電流分布，從而在水平方向產(chǎn)生較大的天線增益，同時(shí)實(shí)現(xiàn)垂直方向的波束賦形。

本文在多套筒結(jié)構(gòu)全向天線的基礎(chǔ)上，充分考慮天線的工藝可實(shí)現(xiàn)性，通過建立精準(zhǔn)三維模型進(jìn)行仿真和參數(shù)優(yōu)化，設(shè)計(jì)得到符合系統(tǒng)指標(biāo)的全向天線。

1 天線設(shè)計(jì)

1.1 天線結(jié)構(gòu)形式

本文介紹的多套筒天線結(jié)構(gòu)形式如圖1所示。該天線由同軸套筒、饋電同軸線、介質(zhì)支撐、反射板和天線罩等部分組成。由于系統(tǒng)需要不小于5 dB的增益，該天線用4級(jí)同軸套筒作為輻射體，類似2個(gè)共軸排列的半波對(duì)稱振子天線。同軸套筒內(nèi)部由饋電同軸線進(jìn)行饋電，饋電同軸線的內(nèi)導(dǎo)體外徑為r1，外導(dǎo)體內(nèi)徑為r2。套筒的外徑D2，每級(jí)套筒之間通過聚四氟乙烯材料支撐。聚四氟乙烯支撐件通過專門設(shè)計(jì)，正好卡在饋電同軸線和套筒之間，能保證各級(jí)套筒共軸，避免套筒發(fā)生橫向尺寸偏移。饋電同軸線輸入端口采用N-K型連接器，末端為短路枝節(jié)進(jìn)行阻抗匹配。

圖1 全向天線結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 天線罩形式

該全向天線在室外環(huán)境使用，天線罩用于防護(hù)風(fēng)沙和雨水侵襲。根據(jù)天線的工作頻率和加工成本，選用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的薄壁天線罩。薄壁天線罩壁厚d的取值要盡量小地影響天線的電性能指標(biāo)，厚度d通常由下式給出：

(1)

式中，λ為天線的工作波長(zhǎng)；ε為天線罩的相對(duì)介電常數(shù)。

天線罩材料選用環(huán)氧預(yù)浸料，該材料是纖維和樹脂組成的復(fù)合材料，具有較好的透波性能和機(jī)械強(qiáng)度。天線罩的壁厚為1.5 mm，直徑80 mm，天線罩頂部采用錐臺(tái)狀。為保證防水效果，天線與天線罩之間采用聚氨酯密封膠密封。

1.3 天線結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化結(jié)果

可以通過先簡(jiǎn)單后復(fù)雜的方法獲得天線的電磁特性，即不考慮介質(zhì)支撐和天線罩的影響，優(yōu)化得到一組較好的結(jié)果；然后逐步加入各種介質(zhì)材料，通過多次迭代和優(yōu)化計(jì)算，最終得到準(zhǔn)確天線模型下天線的電性能指標(biāo)，圖2為天線仿真模型及波束示意。為方便加工，天線優(yōu)化后的各參數(shù)取整處理，其中L為天線安裝天線罩后的總長(zhǎng)度，具體數(shù)據(jù)見表1。

1.4 功率容量分析

天線的功率容量受多種因素影響，在設(shè)計(jì)時(shí)可以先通過場(chǎng)仿真給出理論計(jì)算結(jié)果，然后用實(shí)物進(jìn)行大功率試驗(yàn)驗(yàn)證。在天線模型中，由圖3可以看出電場(chǎng)的最大場(chǎng)強(qiáng)位于饋電同軸線內(nèi)導(dǎo)體附近區(qū)域，因此饋電同軸線的功率容量決定了天線的功率容量。

圖2 全向天線仿真模型及波束示意圖

表1 優(yōu)化后的參數(shù)(單位：mm)

圖3 天線內(nèi)部場(chǎng)分布示意圖

功率容量為

(2)

式中，r1為同軸線外導(dǎo)體的內(nèi)半徑；r2為同軸線內(nèi)導(dǎo)體的外半徑；Ebr為介質(zhì)的擊穿場(chǎng)強(qiáng)，空氣介質(zhì)的擊穿場(chǎng)強(qiáng)Ebr=3×106V/m；η0=377 Ω為自由空間的波阻抗。

由式(2)得到饋電同軸線所能承受的最大功率為185.4 kW。實(shí)際上，天線的功率容量受很多因素影響，如加工裝配誤差、金屬表面的粗糙度、天線駐波比、大氣壓強(qiáng)和空氣濕度等。天線實(shí)際功率容量須在仿真計(jì)算的基礎(chǔ)上留10 dB的余量，因此本天線所能承受的最大功率約為18 kW。

2 天線仿真與測(cè)試

根據(jù)天線仿真參數(shù)加工天線實(shí)物，如圖4所示。天線的駐波比曲線和方向圖參數(shù)分別由矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀、球面近場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)測(cè)試得到，如圖5～圖7所示?？梢钥闯?，天線實(shí)測(cè)結(jié)果與仿真結(jié)果基本一致，具體指標(biāo)對(duì)比見表2，滿足系統(tǒng)要求。

圖4 天線實(shí)物架設(shè)圖

圖5 天線駐波比曲線

圖6 天線水平面方向圖曲線

圖7 天線垂直面方向圖曲線

表2 全向天線指標(biāo)要求

3 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的全向天線具有高增益、大功率等特點(diǎn)，在設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮天線的邊界條件，尤其是介質(zhì)支撐和天線罩對(duì)天線電性能的影響。為方便加工，天線優(yōu)化后的尺寸盡量取整數(shù)，制作好的天線無須調(diào)試，即可滿足指標(biāo)要求，有利于批量生產(chǎn)。目前該天線已應(yīng)用于某電子系統(tǒng)中，可為類似天線研制提供參考和借鑒。