新型巴倫的設(shè)計與應(yīng)用

張國龍

（南京電子技術(shù)研究所 江蘇省南京市 210039）

電子對抗是敵對雙方為削弱、破壞敵對電子設(shè)備的使用效能、保障己方電子設(shè)備發(fā)揮效能而采取的各種電子措施和行動，又稱電子戰(zhàn)。電子對抗又分為三個方面：電子干擾、電子防御、電子對抗偵查[1-3]。隨著科技的不斷發(fā)展，電子技術(shù)在未來軍事化戰(zhàn)爭中越來越不可取代，而電子對抗能力逐漸成為衡量國家軍事實力的一個標準。

電子對抗技術(shù)的發(fā)展離不開雷達技術(shù)的提升，而雷達截獲能力以及截獲效率的提升離不開雷達帶寬的提升，所以發(fā)展電子對抗技術(shù)的關(guān)鍵就是突破帶寬問題，即尋找超帶寬天線，完成多頻帶覆蓋。

“寬帶”是帶寬的一個相對度量，如果一個天線可以滿足大于等于一個倍頻程的情況下，天線的阻抗和方向圖等性能都沒有發(fā)生顯著的變化，那么就將其歸類為寬帶天線。電子對抗天線從對天線的覆蓋面積看，要提升天線增益和高仰角增益，得到圓極化性能較好的、非頻變天線。在電子對抗應(yīng)用中定向天線通常是平面螺旋天線、對數(shù)周期天線、喇叭天線和反射面天線。其中能擁有小型化、易共形等特點只有螺旋天線，所以在小型化、集成化、一體化為潮流的電子信息時代，螺旋天線更有發(fā)展前景。

微帶巴倫作為螺旋天線饋電系統(tǒng)中的重要元件，它的長度直接影響到螺旋天線的剖面厚度，傳統(tǒng)巴倫長度約為λmax/2，而其寬度一般取5mm，但其實天線的輻射器半徑就很大，巴倫的寬度，基本有很大的提升空間，但如果我們能把指數(shù)變換的微帶漸變線變曲折或者直接做到一個與輻射器平行的介質(zhì)基板上，在用一段微帶線將其連接，這樣就可以大幅降低巴倫的長度，降低剖面厚度。

1 理論分析

1.1 巴倫設(shè)計原理

巴倫有平衡端與非平衡端轉(zhuǎn)換的作用，還有阻抗變換的作用，我們通常用到的巴倫有同軸切削巴倫和微帶漸變巴倫。同軸切削巴倫能滿足的帶寬要更大，但加工、組裝都更麻煩，所以一般選用微帶漸變巴倫。微帶漸變巴倫起源于多節(jié)λ ?4 線變換器，如圖1所示。

圖1：多節(jié)λ ?4 線變換器

其主線的特性阻抗為ΖC，終端負載為RL，每節(jié)的長度為λ0?4，特性阻抗分別為Ζ1，Ζ2，Ζ3，…，ΖN，在每一節(jié)不連續(xù)處的電壓波反射系數(shù)分別為Γ0，Γ1，Γ2，…ΓN-1，ΓN。則通過近似，輸入端反射系數(shù)可表示為各個不連續(xù)處產(chǎn)生反射的疊加，即

式中：

如果變換器是對稱的，式（1）可簡化為：

合適的選擇Ζ1，Ζ2，Ζ3，…，ΖN可以實現(xiàn)寬頻帶特性。一般選擇最平坦型和切比雪夫型兩種響應(yīng)[4]。

圖2 為漸變線阻抗變換器，和我們設(shè)計中用到的微帶漸變巴倫是相同的，當把階梯阻抗變換器中的每一段四分之一波長微帶線等效為無限小微帶線dx時，就得到我們的漸變線，輸入端的反射系數(shù)：

圖2：漸變線阻抗變換器

寬帶巴倫在我們后面的設(shè)計中很重要，微帶漸變巴倫已經(jīng)有效的減小了傳統(tǒng)巴倫設(shè)計的尺寸，但在后面的設(shè)計中將介質(zhì)板正反面的微帶漸變線，通過曲折指數(shù)變換的方法，更加優(yōu)化了巴倫設(shè)計的長度，為天線小型化做了進一步的推進。

2 新型巴倫建模

2.1 曲折型巴倫建模

在設(shè)計中我們將傳統(tǒng)巴倫的微帶指數(shù)漸變線從一段拆分成了四段，每一段為單獨的指數(shù)漸變線，其間用等長的漸變四分之一圓弧代替，這樣同樣的巴倫長度下，漸變線的可變空間就大了許多。根據(jù)理論調(diào)節(jié)巴倫參數(shù)，最后得優(yōu)化后參數(shù)，建好模型見圖3。

圖3：曲折型巴倫模型側(cè)面圖

仿真該模型，我們得到該巴倫仿真的S 參數(shù)，結(jié)果如圖4，S11 及S22 都小于-17dB，S21 及S12 都近乎為零，可見損耗很小，性能優(yōu)異。

圖4：曲折型微帶漸變巴倫S 參數(shù)

2.2 圓環(huán)型巴倫建模

圓環(huán)型巴倫的設(shè)計是將巴倫的微帶漸變線做到了一個圓盤介質(zhì)板上了，其在介質(zhì)板上也是以指數(shù)變化的，建好模型如圖5。

圖5：圓環(huán)型巴倫模型圖

我們得到該巴倫仿真的兩端口處阻抗，結(jié)果如圖6和圖7，接同軸端阻抗可達50，接輻射器端阻抗為63，且虛部較好，完全可以達到阻抗變換的目的。

圖6：圓環(huán)型巴倫輸出阻抗Smith 圓圖

圖7：圓環(huán)型巴倫輸入阻抗Smith 圓圖

3 仿真及實物設(shè)計與對比

3.1 傳統(tǒng)C波段天線設(shè)計

根據(jù)天線理論1.25λmax≤2πR得到R ≥14.92mm，而天線饋電間距2r0<λmin/4 得到r0≤6.25mm，巴倫長度應(yīng)為L=λmax/4 即為18.75mm。天線的增長率a 取1.584，圈數(shù)取8.25 圈，臂寬取4.2mm，巴倫的平衡端與非平衡端用CST MWS 中自帶的求解器可求得，平衡端的寬度為0.9mm，非平衡端金屬寬度為2.6mm，非平衡端地板寬度為5mm，為提高天線的增益，經(jīng)優(yōu)化天線的外徑為52mm，巴倫長度為18mm。建好模型圖如圖8，制作天線實物圖見9，(a)為正面圖，(b)為側(cè)面圖。

圖8：傳統(tǒng)C 波段天線仿真模型圖

圖9：天線實物圖

由圖10 和圖11 可見天線的回波損耗全頻段大于-14dB，駐波比全頻段小于1.6，匹配良好。

圖10：天線測試回波損耗

圖11：天線測試駐波比

由圖12 和圖13 可見天線的增益在全頻段滿足大于5dBi，軸比全頻段小于3dB。天線4GHz、5GHz、6GHz的方向圖呈現(xiàn)天線圓極化特性良好。

圖12：天線測試增益

圖13：天線測試軸比

3.2 新型C波段天線設(shè)計

新型天線的模型如圖14，我們采用與傳統(tǒng)C 波段天線相同的輻射器，將3.4.1 小節(jié)中設(shè)計的巴倫，通過改進與天線輻射器協(xié)同仿真優(yōu)化，可見巴倫的形狀比正常模型少做了兩個曲折線，天線整體長度變?yōu)榱?3mm，降為原來巴倫長度的70%，很大程度提高了天線的小型化能力，新模型沒有加背腔，主要原因是天線設(shè)計的巴倫饋電變?yōu)闄M向饋電，但如果加腔體無法饋電，同時腔體厚度還做不到13mm，會影響最后測試的電綜合性能。

圖14：新型C 波段Hz 模型圖

圖15 為新型C 波段天線的實物圖，由于沒加背腔，拿泡沫做支撐，巴倫的長度很小，相對傳統(tǒng)天線有很大改進。

圖15：新型C 波段實物圖

圖16 和圖17 為新型天線回波損耗和駐波比的測試圖，由圖得天線全頻段小于-15dB，駐波比全頻段小于1.35。圖18 和圖19 為新型天線增益和軸比的測試圖，可見天線全頻段大于3.5dBi，軸比全頻段小于2dB，性能良好。方向圖也顯示了新型C 波段天線優(yōu)良的圓極化性能，對比傳統(tǒng)天線與新型天線，巴倫長度上新型天線降低了30%左右，天線的各個電性能也都很好，可見曲折型巴倫和圓環(huán)型巴倫對將來降低剖面有很大的意義。

圖16：天線測試回波損耗

圖17：天線測試駐波比

圖18：新型天線測試增益

圖19：新型天線測試軸比

4 結(jié)束語

本文介紹了新型巴倫設(shè)計制作與應(yīng)用。設(shè)計制作了更小型化的曲折型巴倫以及圓環(huán)型巴倫，針對巴倫的應(yīng)用進行分析，并設(shè)計制作了傳統(tǒng)C 波段天線與新型C波段天線進行對比。從測試結(jié)果可以看出新型C 波段在巴倫降低30%的情況下，性能比較優(yōu)良，此次嘗試為將來把曲折型和圓環(huán)型巴倫應(yīng)用到更多頻段的天線中，降低天線剖面，提高小型化能力做了基礎(chǔ)。