一種寬帶穩(wěn)定寬波束天線

張曉沖，涂海洋，馬劍南，李 勇*，劉廷龍

(1.中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081；2.中華通信系統(tǒng)有限責(zé)任公司河北分公司，河北 石家莊 050081；3.空裝駐石家莊地區(qū)軍事代表室，河北 石家莊050081；4.燕山大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，河北 秦皇島 066004)

0 引言

在衛(wèi)星定位、雷達(dá)探測、電子對抗和彈載測控等無線電通信系統(tǒng)中,為了確保信號傳輸質(zhì)量和傳輸速率,快速捕捉到微弱的信號,一般要求天線具有較寬的波束寬度,并能保持一定的低仰角增益,同時還需要在工作頻段內(nèi)保持波束寬度的穩(wěn)定性。因此針對具有波束穩(wěn)定性的寬帶寬波束天線的研究具有廣闊的應(yīng)用背景。

工程中常見的寬波束天線結(jié)構(gòu)形式有雙臂螺旋天線[1]、四臂螺旋天線[2-5]、微帶天線[6-9]和振子天線[10-12]等,但存在著工作帶寬窄、單極化方式、波束寬度窄或低仰角增益較低等缺點(diǎn)。另外由于天線的匹配帶寬和軸比帶寬不重合,天線的實(shí)際工作帶寬往往不能滿足應(yīng)用需要。寬頻帶天線的電尺寸在倍頻程內(nèi)變化較大,所以其輻射方向圖在整個帶寬內(nèi)畸變得情況比較嚴(yán)重,很難在寬頻帶內(nèi)使方向圖波束保持穩(wěn)定。

為了拓寬天線的帶寬和波束寬度,提高低仰角增益,以適應(yīng)某些通信系統(tǒng)的需求。國內(nèi)外學(xué)者提出了多種方法,文獻(xiàn)[9]通過在微帶天線的四周加載柱狀單極子來拓寬波束寬度,但工作帶寬太窄,僅100 MHz。文獻(xiàn)[13]通過在天線上面和下面加載寄生環(huán)結(jié)構(gòu)來拓寬半功率波束寬度和改善軸比,但工作帶寬窄的問題仍未解決。文獻(xiàn)[14]通過優(yōu)化兩對折疊偶極子的結(jié)構(gòu),使得天線的波束寬度有了一定的拓寬,但其仍然是工作在1.6 GHz附近的窄頻帶天線。文獻(xiàn)[15]提出了一種新型的天線結(jié)構(gòu)形式,由地板上方的蝴蝶結(jié)型偶極子天線單元和金屬橋進(jìn)行組成,實(shí)現(xiàn)了天線波束的拓寬,其相對帶寬為11.5%,相對于寬帶天線來講,帶寬還是較窄。文獻(xiàn)[16]通過在平面偶極子天線的四周添加寄生單元結(jié)構(gòu),在一定程度上拓寬了E面和H面的波束寬度。文獻(xiàn)[17]通過在彎折天線臂上加載寄生金屬板結(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)了較寬的E面半功率波束寬度,并對天線臂進(jìn)行了切割來改善波束的穩(wěn)定性,最終設(shè)計(jì)出寬帶寬波束天線,具有較強(qiáng)的實(shí)用價值。

偶極子背腔式天線,也常被稱為腔振子天線,它主要由輻射振子、反射腔體及其饋電部分組成,由于背腔式反射器的作用,很容易實(shí)現(xiàn)單向輻射,它可以用單偶極子饋電實(shí)現(xiàn)單線極化工作,也可以十字偶極子饋電實(shí)現(xiàn)圓極化或雙線極化工作。本文主要針對遙測遙控領(lǐng)域?qū)掝l帶寬波束覆蓋的技術(shù)需求,以工程應(yīng)用為背景,通過在輻射片下折腔振子的基礎(chǔ)上,采用在天線口面橫向加載雙扼流環(huán)結(jié)構(gòu)、縱向加載匹配盤組結(jié)構(gòu)以及在金屬反射腔內(nèi)添加金屬隔離柱結(jié)構(gòu),有效改善了天線的帶寬和軸比性能,改善了方向圖特性,實(shí)現(xiàn)了2∶1帶寬內(nèi)寬波束低仰角覆蓋,解決了傳統(tǒng)天線在寬頻帶內(nèi)低仰角增益較低、性能指標(biāo)受限的技術(shù)問題。

1 天線描述和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文所述寬帶穩(wěn)定寬波束天線如圖1所示,包括寬帶十字交叉的腔振子天線、雙扼流環(huán)、寬帶圓極化電橋和4個金屬隔離柱等結(jié)構(gòu)。

寬帶十字交叉的腔振子天線的剖面結(jié)構(gòu)如圖2所示,它是由4個一段蝶形和一段矩形組成的輻射振子片,輻射振子片厚度1 mm,2對輻射振子片呈“十字”交叉對稱放置,輻射振子片末端向下90°彎折一小段,與4個空心的金屬支撐柱形成一個整體,由2根同軸線纜穿過相鄰的2個空心金屬支撐柱,2根同軸線纜的金屬外皮和內(nèi)芯分別與2對輻射振子片焊接,直接饋電,相位相差90°。低頻匹配盤和高頻匹配盤均呈圓形,厚度0.8 mm,位于輻射振子片正上方,用于調(diào)節(jié)天線匹配。低頻匹配盤尺寸和高度均大于高頻匹配盤,低頻匹配盤用于調(diào)節(jié)低頻段駐波,高頻匹配盤用于調(diào)節(jié)高頻段駐波,這對匹配盤尺寸大小和距離輻射振子片的高度與寬頻帶穩(wěn)定寬波束腔振子天線裝置的阻抗和駐波相關(guān),可通過參數(shù)優(yōu)化來調(diào)整。金屬隔離柱下端連接金屬反射腔體底部,且4個金屬隔離柱以輻射振子片為中心,均勻分布。金屬反射腔體底部安裝有寬帶圓極化電橋器件,很容易實(shí)現(xiàn)雙圓極化。

圖1 天線整體結(jié)構(gòu)Fig.1 Overall structure of antenna

圖2 寬帶十字交叉的腔振子天線的剖面結(jié)構(gòu)Fig.2 Sectional structure of broadband cross cavity dipole antenna

扼流環(huán)內(nèi)環(huán)和扼流環(huán)外環(huán)幾何大小成一定的比例,結(jié)構(gòu)如圖3所示。雙扼流環(huán)由扼流環(huán)內(nèi)環(huán)和扼流環(huán)外環(huán)構(gòu)成,雙扼流環(huán)被5 mm的帶線呈“米”字型等分為8塊,雙扼流環(huán)置于印制板的上表面,印制板采用1 mm厚Neltec NY9220(IM)材料,介電常數(shù)2.2,單面板,呈環(huán)狀,印制板與輻射振子片大致處于同一水平面,印制板外徑及扼流環(huán)外環(huán)的外徑與金屬反射腔體的圓柱腔體外徑相同,印制板內(nèi)徑及扼流環(huán)內(nèi)環(huán)內(nèi)徑相同,且略大于輻射振子片最大外徑。

圖3 雙扼流環(huán)的結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of double-choke-ring

2 天線整體設(shè)計(jì)及天線樣機(jī)

天線仿真模型如圖4所示,圖中黃色部分均為金屬,灰色部分為印制板,白色部分為介質(zhì)支撐柱。天線整體尺寸為φ×0.53λ0×0.23λ0(φ為天線的直徑,λ0為最低頻率在自由空間中的波長),金屬腔體高度為20 mm,直徑為115 mm,輻射片振子距離底板的高度為44.5 mm,寬度為28 mm,2對輻射片振子中每個輻射片長度為38 mm。低頻匹配直徑為19 mm,距離輻射振子片的高度為7.8 mm,高頻匹配直徑為8.9 mm,距離輻射振子片的高度為1.5 mm,金屬隔離柱高度為35.6 mm,雙扼流環(huán)印制板距離底板的高度為44.5 mm,最大外環(huán)直徑為115 mm,最小內(nèi)環(huán)直徑為78 mm。雙扼流環(huán)的外環(huán)尺寸與內(nèi)環(huán)尺寸比值為4∶3。

圖4 天線仿真模型Fig.4 Simulation model of antenna

3 測試結(jié)果與分析

3.1 天線樣機(jī)加工及組裝

根據(jù)仿真計(jì)算的設(shè)計(jì)結(jié)果,加工制作了天線樣機(jī),其中雙扼流環(huán)PCB板實(shí)物如圖5所示,輻射片下折的振子天線如圖6所示,寬帶穩(wěn)定寬波束天線樣機(jī)實(shí)物如圖7所示。

圖5 雙扼流環(huán)PCB板Fig.5 PCB of double-choke-ring

圖6 振子天線照片F(xiàn)ig.6 Photograph of proposed dipole antenna

圖7 天線樣機(jī)Fig.7 Photograph of proposed antenna

天線樣機(jī)的組裝步驟如下:首先,將加工完成的金屬隔離柱及尼龍介質(zhì)支撐柱通過金屬反射腔底部的螺紋孔固定在金屬反射腔中;其次,將高頻和低頻圓形匹配盤組通過尼龍介質(zhì)柱、尼龍介質(zhì)片和尼龍介質(zhì)螺母固定在輻射片下折的振子上表面,形成一個寬帶振子天線;然后將這個寬帶振子天線通過螺紋孔固定在金屬反射腔中;最后,將雙扼流環(huán)PCB板裝在尼龍介質(zhì)支撐柱上,并通過尼龍介質(zhì)螺母固定,將圓極化電橋通過螺紋孔安裝在金屬反射腔底部下表面,并將饋線連接好。通過以上步驟,最終完成此寬帶穩(wěn)定寬波束天線的整體裝配。

3.2 結(jié)果分析

在天線樣機(jī)整體裝配完成后,采用Agilent E5071C矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀和天線自動測試系統(tǒng)在室外對天線樣機(jī)的電性能(電壓駐波比(Voltage Standing Wave Ratio,VSWR)、增益方向圖等特性)進(jìn)行了實(shí)際測試。

實(shí)測和仿真VSWR曲線對比如圖8所示。

圖8 仿真和實(shí)測VSWR曲線Fig.8 Simulated and measured VSWR curves of proposed antenna

由圖8可知,實(shí)測結(jié)果和仿真結(jié)果基本吻合。在1.25～2.5 GHz頻帶內(nèi)天線樣機(jī)的VSWR在2.0以下,天線在工作帶寬內(nèi)具有良好的阻抗匹配特性。可通過優(yōu)化改變縱向加載匹配盤組結(jié)構(gòu)(低頻匹配盤、高頻匹配盤)的尺寸參數(shù)和距離輻射片振子的高度參數(shù)來調(diào)節(jié)天線的阻抗和VSWR。

天線增益的仿真和實(shí)測曲線如圖9所示。由圖9可知,在1.25～2.2 GHz頻帶內(nèi)增益均比較高,僅在1.9 GHz附近出現(xiàn)了1個凹點(diǎn),2.2～2.5 GHz頻帶內(nèi)增益呈下降趨勢,在2.5 GHz時達(dá)到增益最小值2.79 dB。

圖9 天線增益的仿真和實(shí)測曲線Fig.9 Simulated and measured gain of proposed antenna

本文在天線口面橫向加載雙扼流環(huán)結(jié)構(gòu)和金屬反射腔內(nèi)添加金屬隔離柱結(jié)構(gòu)是用于展寬波束寬度和調(diào)節(jié)軸比,以及改善天線方向圖,可通過改變雙扼流環(huán)的尺寸參數(shù)及金屬隔離柱的位置和高度參數(shù)來優(yōu)化調(diào)整。參見圖10和表1,可見該天線在1.25～2.5 GHz整個帶寬內(nèi)增益大于0 dBi的波束寬度在132°～178°,方向圖在帶內(nèi)基本保持穩(wěn)定。

圖10 天線方向圖隨不同頻點(diǎn)變化的對比圖Fig.10 Radiation patterns at several frequency points

表1 方向圖增益大于0 dB的波束寬度記錄

在本文中,天線的方向圖測試采用場地遠(yuǎn)場法,天線增益測試選擇方向圖積分法。選取1.25、1.6、1.9、2.1、2.3、2.5 GHz六個頻點(diǎn)進(jìn)行了測試,并對仿真計(jì)算和實(shí)際測試得到的歸一化方向圖進(jìn)行了對比,如圖11～圖16所示。

圖12 1.6 GHz仿真和實(shí)測方向圖Fig.12 Simulated and measured radiation patterns of proposed antenna at 1.6 GHz

圖14 2.1 GHz仿真和實(shí)測方向圖Fig.14 Simulated and measured radiation patterns of proposed antenna at 2.1 GHz

圖15 2.3 GHz仿真和實(shí)測方向圖Fig.15 Simulated and measured radiation patterns of proposed antenna at 2.3 GHz

圖16 2.5 GHz仿真和實(shí)測方向圖Fig.16 Simulated and measured radiation patterns of proposed antenna at 2.5 GHz

從圖11～圖16可知,天線輻射方向圖實(shí)測結(jié)果在±66°波束范圍內(nèi)與仿真計(jì)算結(jié)果基本吻合,±66°波束范圍內(nèi)的方向圖變化趨勢保持一致,從而使天線實(shí)現(xiàn)了寬波束覆蓋。天線方向圖測試結(jié)果在±66°波束范圍外與仿真結(jié)果略有差別,原因是在實(shí)際測試壞境中影響因素比理想仿真計(jì)算條件下更為復(fù)雜,尤其是地面及天線周邊的環(huán)境對天線在±66°波束范圍外的方向圖影響還是很大的,不可避免地會引入測試誤差,尤其是對這種寬頻帶寬波束天線。

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)并制作了一款寬帶穩(wěn)定寬波束天線,通過在輻射片下折腔振子基礎(chǔ)上,采用在天線口面橫向加載雙扼流環(huán)結(jié)構(gòu)、縱向加載匹配盤組結(jié)構(gòu)以及在金屬反射腔內(nèi)添加金屬隔離柱結(jié)構(gòu),使得該天線的工作頻帶為1.25～2.5 GHz,在整個帶寬內(nèi),方向圖基本保持穩(wěn)定,且增益大于0 dBi的波束寬度不小于132°。實(shí)際測試結(jié)果表明,其性能指標(biāo)符合設(shè)計(jì)預(yù)期,并與仿真分析結(jié)果相互印證。天線性能指標(biāo)保證了天線在低仰角也能夠穩(wěn)定接收信號。該天線結(jié)構(gòu)緊湊、尺寸小、性能良好,涉及的相關(guān)技術(shù)還可應(yīng)用于其他頻段線極化及圓極化天線設(shè)計(jì)中。該天線適用于地面便攜站、艦載和車載等多種平臺,既可作為天線單獨(dú)使用,又可作為天線陣列的單元使用,還可以作為反射面天線饋源使用,具有非常廣闊的應(yīng)用前景。