一種寬頻帶復(fù)合天線設(shè)計(jì)

王 亮，趙東賀，韓國(guó)棟

(1. 中華通信系統(tǒng)有限責(zé)任公司 河北分公司，石家莊 050081；2. 中國(guó)電子科技集團(tuán)公司 第54研究所，石家莊 050081)

0 引言

從赫茲實(shí)驗(yàn)室內(nèi)建立第一個(gè)天線系統(tǒng)開(kāi)始，人類進(jìn)入了無(wú)線通信時(shí)代。經(jīng)過(guò)一百多年的發(fā)展，無(wú)線通信在社會(huì)生活中的作用越來(lái)越大，已成為當(dāng)今社會(huì)不可或缺的組成部分。天線作為無(wú)線通信系統(tǒng)中唯一具備與空間進(jìn)行能量交互的裝置，實(shí)現(xiàn)射頻導(dǎo)波信號(hào)和空間電磁波信號(hào)的相互轉(zhuǎn)換，是無(wú)線通信系統(tǒng)的重要組成部分[1]。天線同時(shí)具備對(duì)能量進(jìn)行空間配給的作用，通過(guò)天線的輻射方向圖特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)特定區(qū)域進(jìn)行無(wú)線傳輸。隨著移動(dòng)通信、廣播電視、衛(wèi)星通信、導(dǎo)航、微波遙感以及射電天文等民用、軍用領(lǐng)域的無(wú)線通信系統(tǒng)應(yīng)用越來(lái)越廣泛，無(wú)線通信技術(shù)得到了快速發(fā)展[2]?，F(xiàn)代無(wú)線通信系統(tǒng)多為基于載體平臺(tái)的多種無(wú)線系統(tǒng)共存的綜合系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的功能性能。當(dāng)多個(gè)體制的無(wú)線系統(tǒng)共存時(shí)，不同的系統(tǒng)使用不同的工作頻段，所以需要在載體上配置大量覆蓋不同頻段和不同輻射特性的天線。通常載體上可用于天線配置的空間非常有限，只有少數(shù)特定的區(qū)域用于布置天線，這樣會(huì)造成天線間相互耦合、遮擋、干擾嚴(yán)重，限制了系統(tǒng)性能的提升[3]。為解決這一問(wèn)題，技術(shù)人員在超寬帶天線、多頻帶天線以及復(fù)合天線等進(jìn)行了大量的研究。共口徑天線[4-6]因其可以在固定孔徑內(nèi)復(fù)合多個(gè)天線，滿足多個(gè)系統(tǒng)使用，極大地提高了天線輻射口面的利用率，同時(shí)可以有效減小天線體積，逐漸成為了研究熱點(diǎn)。

復(fù)合天線是指在固定空間內(nèi)將多種不同頻段，極化、增益的天線形式集成組合的一種天線。共口徑天線是一類特殊的復(fù)合天線。共口徑天線是指將多種天線設(shè)計(jì)在同一口徑上的復(fù)合天線。通過(guò)優(yōu)化多種天線形式、結(jié)構(gòu)、相互關(guān)系以及結(jié)構(gòu)復(fù)用，實(shí)現(xiàn)在同一輻射孔徑內(nèi)滿足多個(gè)系統(tǒng)天線的使用需求。共口徑天線的組成包括微帶天線、振子天線、縫隙天線、螺旋天線、喇叭天線等全向、定向天線單元。在設(shè)計(jì)時(shí)需注意降低各天線之間的耦合、遮擋等相互影響，在性能上滿足系統(tǒng)要求。常見(jiàn)的共口徑天線主要包括3種形式。第一種是在大尺寸天線單元或者陣列的局部空間配置另外的不同類型的小尺寸天線[7]。這種設(shè)計(jì)中，不同頻段天線的頻率比通常較大，天線單元物理尺寸相差很大。由于尺寸的懸殊，空間布局合理，不同天線之間的影響幾乎可以忽略不計(jì)，易于實(shí)現(xiàn)共口徑的目的。第二種選擇合適的低頻天線單元和高頻天線單元進(jìn)行組合，采用分散放置[8]、層疊放置以及結(jié)構(gòu)復(fù)用[9-10]等組合方式，可以消除不同頻段天線單元之間的遮擋影響。這種形式的共口徑天線結(jié)構(gòu)比較緊湊，利于低剖面設(shè)計(jì)，大大提高了天線的空間利用率。第三類共口徑天線是通過(guò)引入具有帶通或帶阻特性電磁超材料來(lái)降低不同頻段天線之間的相互遮擋，實(shí)現(xiàn)天線的共口徑設(shè)計(jì)[11-12]。電磁超材料技術(shù)的發(fā)展給天線設(shè)計(jì)提供了新的方向。利用電磁超材料的帶通或帶阻特性實(shí)現(xiàn)天線的頻率選擇和相位調(diào)整，使得高頻電磁波能夠穿過(guò)上層的低頻天線能夠正常輻射，降低天線之間的相互遮擋，實(shí)現(xiàn)了天線的共口徑設(shè)計(jì)。共口徑天線結(jié)構(gòu)緊湊，符合天線小型化的發(fā)展趨勢(shì)，而巧妙地設(shè)計(jì)甚至可以提高電性能。

為解決復(fù)雜無(wú)線通信系統(tǒng)的天線數(shù)量多的問(wèn)題，本文提出了一種低剖面寬頻帶共口徑復(fù)合天線的設(shè)計(jì)方式。天線主體為高增益線極化單脈沖天線，天線單元采用寬帶異面印刷振子形式。陣列分為左右兩部分，通過(guò)定向耦合器實(shí)現(xiàn)天線的和、差方向圖輻射。在單高增益線天線中間設(shè)置有印刷振子結(jié)構(gòu)的低增益圓極化天線，頻率覆蓋GPS、北斗、海事衛(wèi)星等衛(wèi)星通信頻段。兩種振子印刷在同一微波介質(zhì)板上。為了驗(yàn)證天線設(shè)計(jì)的正確性，加工了天線樣機(jī)。測(cè)試結(jié)果表明線極化天線在工作頻帶1.2～1.8 GHz范圍內(nèi)和差通道電壓駐波比小于1.8，和通道增益大于13.5 dBi，方位差波束零值深度小于-25 dB，圓極化天線在工作頻帶1.2～1.8 GHz范圍內(nèi)電壓駐波比小于1.6，增益大于6.5 dBi，軸比小于2.5 dB，與設(shè)計(jì)結(jié)果基本吻合，滿足工程應(yīng)用要求。該共口徑天線具有結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、剖面低的特點(diǎn)；同時(shí)有效減少了系統(tǒng)天線數(shù)量，降低了系統(tǒng)設(shè)備復(fù)雜度。

1 復(fù)合天線設(shè)計(jì)與分析

1.1 復(fù)合天線結(jié)構(gòu)

復(fù)合天線結(jié)構(gòu)如圖1所示，天線由天線罩、輻射層和金屬反射地板組成，天線罩選用介質(zhì)天線罩，材料為玻璃鋼，厚度為1 mm。天線輻射層為1 mm厚度的雙面微波介質(zhì)板，介質(zhì)材料為聚四氟乙烯，介電常數(shù)為2.55。高增益線極化天線的輻射單元和饋電網(wǎng)絡(luò)刻蝕輻射層上下表面上，輻射單元采用單側(cè)切角的矩形異面印刷偶極子，上下表面輻射單元為互補(bǔ)結(jié)構(gòu)。饋電網(wǎng)絡(luò)為T(mén)型寬帶漸變線結(jié)構(gòu)匹配合成網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)的合成端為平行雙線轉(zhuǎn)微帶線的轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)。輻射層中心位置刻蝕有十字交叉振子結(jié)構(gòu)的寬帶圓極化天線。復(fù)合天線最下層為金屬反射地板，地板下表面裝有寬帶和差網(wǎng)絡(luò)和寬帶90°電橋，通過(guò)射頻電纜與輻射層連接。寬帶和差網(wǎng)絡(luò)采用帶反相器結(jié)構(gòu)的環(huán)裝電橋，這種形式具有帶寬寬、相位穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)，滿足高增益線極化天線實(shí)現(xiàn)和差方向圖的幅度相位要求。寬帶90°電橋采用0.25波長(zhǎng)帶狀線定向耦合器結(jié)構(gòu)形式，為十字交叉振子提供幅度相等、相位差為90°饋電信號(hào)，實(shí)現(xiàn)天線的圓極化輻射。

圖1 天線結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 線極化天線設(shè)計(jì)

線極化天線為單脈沖跟蹤系統(tǒng)天線。單脈沖跟蹤是跟蹤移動(dòng)目標(biāo)常用的跟蹤體制，通過(guò)單脈沖天線同時(shí)產(chǎn)生和差波束，用獨(dú)立的接收支路同時(shí)接收回波信號(hào)，通過(guò)比較回波信號(hào)幅相特征，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)跟蹤[13]。單脈沖天線通常由天線和和差網(wǎng)絡(luò)組成。根據(jù)天線低剖面、共口徑的使用需求，線極化天線采用平面印刷振子作為天線陣列單元，通過(guò)寬帶180°定向耦合器實(shí)現(xiàn)天線和差波束輸出。

平面印刷振子是一種印刷在微波介質(zhì)板上的偶極子天線，天線單元的輻射結(jié)構(gòu)是一對(duì)具有一定寬度的偶極子，分別印刷在介質(zhì)基板表面[14]，可以為共面結(jié)構(gòu)，也可以為異面結(jié)構(gòu)。圖2為線極化天線示意圖，天線的印刷振子單元為異面互補(bǔ)結(jié)構(gòu)，兩個(gè)振子分別印刷在介質(zhì)板上下表面，印刷振子為矩形結(jié)構(gòu)，通過(guò)異面平行雙線實(shí)現(xiàn)振子的平衡饋電，采用異面平行雙線結(jié)構(gòu)也有利于天線單元與合成網(wǎng)絡(luò)的集成設(shè)計(jì)。介質(zhì)基板材料選擇為聚四氟乙烯，介電常數(shù)為2.55，基板厚度為1 mm。天線尺寸如圖2所示，振子長(zhǎng)度為l，振子寬度為w，振子間距為d1，在振子的饋電一側(cè)引入寬度為cw1切角，改變振子與饋線之間的縫隙，實(shí)現(xiàn)容性加載，改善天線的阻抗特性。天線陣列規(guī)模為2×4，單元方位、俯仰間距分別為dx和dy。設(shè)計(jì)了寬帶T型漸變線等分合成網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)天線的帶寬特性，與多級(jí)四分之一波長(zhǎng)T型公分網(wǎng)絡(luò)相比，漸變線阻抗變換結(jié)構(gòu)具有更平坦的頻率響應(yīng)和更小的尺寸。

圖2 線天線示意圖

由于平行雙線的結(jié)構(gòu)無(wú)法與同軸結(jié)構(gòu)直接匹配連接，設(shè)計(jì)了平衡-不平衡轉(zhuǎn)換器，實(shí)現(xiàn)天線由平行雙線饋電結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換成微帶線饋電結(jié)構(gòu)。平衡-不平衡轉(zhuǎn)換器的線寬分別為w1和w2。印刷振子層與下方金屬反射板距離為h1，與上方天線罩距離為h2，天線模型示意圖如圖3所示。對(duì)線極化天線進(jìn)行了仿真分析，獲得較佳電特性的單元天線參數(shù)，尺寸如下：l=50 mm，w=38 mm，d1 =4 mm，cw1=1．1 mm，dx=130 mm，dy=160 mm，w1=20 mm，w2=2.7 mm，h1=38 mm，h2=5 mm，天線具有良好的寬帶阻抗特性。

圖3 線天線模型示意圖

和差網(wǎng)絡(luò)是單脈沖陣列天線關(guān)鍵組成部分。和差網(wǎng)絡(luò)能夠同時(shí)將分路信號(hào)進(jìn)行相加和相減，形成和差信號(hào)，其阻抗帶寬和幅相一致性會(huì)直接影響單脈沖天線的跟蹤性能。環(huán)形電橋是一種180°混合環(huán)，是最典型的和差網(wǎng)絡(luò)，通常由1.5 λTEM傳輸線(微帶線、帶狀線)并聯(lián)連接的環(huán)狀混合網(wǎng)絡(luò)[15]，具體由一段3 λ/4和三段1 λ/4的傳輸線組成。當(dāng)信號(hào)從和端口輸入時(shí)，差端口無(wú)信號(hào)輸出，是隔離端口，在1分路端口和2分路端口輸出的信號(hào)幅度相等，相位相等，同理可得到當(dāng)信號(hào)從差端口輸入時(shí)，和端口無(wú)信號(hào)輸出，是隔離端口，在1分路端口和2分路端口輸出的信號(hào)幅度相等，相位相差180°。由于經(jīng)典環(huán)形電橋帶寬較窄，無(wú)法滿足寬帶天線使用要求。為解決這一問(wèn)題，使用反相器結(jié)構(gòu)代替環(huán)形電橋的3 λ/4傳輸線，可以有效展寬電橋的帶寬。根據(jù)這一理論，設(shè)計(jì)了基于平行雙線結(jié)構(gòu)的反相器[16-17]，利用平面雙線結(jié)構(gòu)易于極性互換的特點(diǎn)，通過(guò)平行雙線基板上傳輸線通過(guò)金屬孔化與基板背面輸出端的平行帶狀線連接，平行雙線的下面?zhèn)鬏斁€通過(guò)過(guò)孔與輸入端的地相連接，從而完成極性轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生180°相位。寬帶和差網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖4所示。介質(zhì)基板材料選擇為聚四氟乙烯，介電常數(shù)為2.2，基板厚度為1 mm。通過(guò)計(jì)算和優(yōu)化設(shè)計(jì)，各結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)為L(zhǎng)1=31.5 mm，L2=7.5 mm，L3=2.5 mm，L4=7.5 mm，L5=2 mm，L6=4 mm，L7=4 mm，W1=1.4 mm，W2=0.7 mm，W3=0.9 mm，W4=0.25 mm，W5=2.5 mm，W6=7.2 mm，jw1=1.2 mm，jw2=0.75 mm，和差器在工作頻段范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)良好的傳輸特性。

圖4 和差網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖

和差器設(shè)計(jì)完成后，與印刷振子陣列天線進(jìn)行整體優(yōu)化設(shè)計(jì)，仿真結(jié)果如圖5～6所示，由仿真結(jié)果可知，由于和差網(wǎng)絡(luò)的影響，線極化天線的電壓駐波比略有變化。由天線方向圖仿真結(jié)果可知，天線和差方向圖滿足單脈沖跟蹤要求。

圖5 天線電壓駐波比駐波比仿真結(jié)果

圖6 線天線和差方向圖仿真結(jié)果

1.3 圓極化天線設(shè)計(jì)

目前的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)主要包括美國(guó)全球定位系統(tǒng)GPS、俄羅斯全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)GLONASS、歐洲伽利略GALILEO衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)和中國(guó)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)BDS[18]，各個(gè)系統(tǒng)各有優(yōu)勢(shì)。隨著導(dǎo)航技術(shù)的發(fā)展，同時(shí)具備多個(gè)導(dǎo)航系統(tǒng)數(shù)據(jù)接收能力的導(dǎo)航終端在應(yīng)用中的優(yōu)勢(shì)愈加明顯。這就對(duì)導(dǎo)航天線的寬頻帶的特性提出了更高的要求。而據(jù)資料顯示，衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的工作頻率集中在1.2～1.8 GHz頻段范圍內(nèi)，因此研究寬頻帶圓極化天線的對(duì)導(dǎo)航系統(tǒng)具有重要意義。常規(guī)的圓極化天線形式包括微帶天線、螺旋天線和十字振子天線等形式，微帶天線剖面低，但帶寬較窄，無(wú)法滿足寬帶使用要求；螺旋天線包括軸向螺旋和多臂螺旋，具有良好的圓極化輻射特性和較寬的帶寬特性，但天線多為立體結(jié)構(gòu)，剖面高度高；十字交叉振子天線結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，剖面中等，能形成優(yōu)良的圓極化輻射。由于復(fù)合天線需要共口徑設(shè)計(jì)，考慮線極化天線的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，選用平面印刷十字交叉振子作為圓極化天線的實(shí)現(xiàn)方式。圓極化天線的的輻射單元采用兩對(duì)異形正交平面印刷振子，使用一對(duì)同軸線對(duì)印刷振子進(jìn)行饋電，同軸線的內(nèi)、外導(dǎo)體分別于相對(duì)的輻射單元連接，通過(guò)寬帶圓極化電橋?qū)山M正交振子饋電，實(shí)現(xiàn)天線的圓極化輻射。輻射單元利用金屬反射地板，實(shí)現(xiàn)天線的定向輻射。天線的結(jié)構(gòu)和模型示意圖如圖7 所示，輻射單元的尺寸為偶極振子總長(zhǎng)度YL1=86 mm，振子長(zhǎng)度尺寸YL2=19.8 mm，YL3=40.8 mm，振子寬度Yw1=32 mm，Yw2=45 mm，相鄰振子間隙dd=1.5 mm，振子距離金屬反射板的高度h1=38.5 mm，天線罩子與輻射層之間距離h2=5 mm，印制板厚度為1 mm聚四氟乙烯板材，介電常數(shù)為2.55。

圖7 圓極化天線示意圖

圓極化天線通過(guò)90°圓極化電橋?yàn)檎坏恼褡虞椛鋯卧侂?，?shí)現(xiàn)天線形成左、右旋圓極化輻射。90°電橋[19-20]是一種四端口網(wǎng)絡(luò)，在射頻電路中起著功率分配和產(chǎn)生90°相位差的作用。根據(jù)天線的工作帶寬，采用長(zhǎng)度為1 λ/4的帶狀線耦合器結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)所需90°電橋的設(shè)計(jì)。電橋結(jié)構(gòu)示意圖如圖8所示，信號(hào)由端口 1輸入時(shí)，端口 2 為隔離端口，端口3為耦合端口，端口4為直通端口，端口3與端口4之間相位差為90°。與其他電橋相比，帶狀線耦合器直通端和耦合端在同一側(cè)，方便外部連接。帶狀線耦合器由四層金屬涂層組成，從下往上依次是：下接地板、下金屬帶線層、上金屬帶線層和上接地板，接地板與金屬帶線層距離為2 mm，金屬帶線層間距離為0.381 mm，金屬帶線層重和部分寬度為Yw3=1.4 mm，長(zhǎng)度為Yl3=32 mm，4個(gè)輸出端寬帶為W2=3.3 mm。金屬涂層之間填充有介質(zhì)，所有填充介質(zhì)材料相同。

圖8 圓極化電橋結(jié)構(gòu)圖

在實(shí)際設(shè)計(jì)中可以通過(guò)調(diào)節(jié)上下金屬帶線的重疊部分的尺寸來(lái)調(diào)節(jié)耦合度和相位。耦合器外側(cè)為密閉金屬腔體，防止耦合器信號(hào)泄露并增加耦合器的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。如圖 8 所示為90°電橋結(jié)構(gòu)示意圖，帶狀線耦合器介質(zhì)材料為聚四氟乙烯，介電常數(shù)為2.55。對(duì)圓極化電橋進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，電橋在工作帶寬內(nèi)的幅度相位傳輸特性滿足使用要求。完成十字印刷振子天線和圓極化電橋的初步設(shè)計(jì)后，對(duì)圓極化天線的整體性能進(jìn)行了仿真設(shè)計(jì)，圖9給出圓極化天線在1.2～1.8 GHz的工作頻率范圍內(nèi)天線VSWR仿真結(jié)果，從仿真結(jié)果可知，天線寬帶阻抗特性良好。

圖9 圓極化天線電壓駐波比仿真結(jié)果

1.4 共口徑天線設(shè)計(jì)與分析

基于以上兩種天線設(shè)計(jì)結(jié)果，設(shè)計(jì)一種結(jié)構(gòu)緊湊共口徑復(fù)合天線，天線整體包括三層板狀結(jié)構(gòu)，上層為1 mm厚玻璃鋼天線罩，圓極化天線的平面印刷十字交叉振子與線極化天線輻射貼片刻蝕在中間層微波介質(zhì)板上，十字正交振子設(shè)置在線極化天線中間。最下層為金屬反射板。對(duì)共口徑天線進(jìn)行整體仿真計(jì)算，復(fù)合天線模型示意圖如圖10所示，仿真結(jié)果如圖11～12所示。由圖11可知，單脈沖天線和圓極化天線共口徑設(shè)計(jì)后，由于兩個(gè)天線之間相互耦合作用，對(duì)圓極化天線的軸比特性影響較大，惡化嚴(yán)重。通過(guò)分析，影響天線軸比的因素主要為兩個(gè)天線之間的距離和圓極化天線與單脈沖天線之間的相對(duì)位置關(guān)系。根據(jù)這兩個(gè)主要因素對(duì)共口徑天線進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，改進(jìn)措施主要包括增加天線距離、改變天線的相對(duì)位置關(guān)系和在兩天線之間增加隔離措施。受天線物理尺寸和陣列間距的限制，單脈沖天線和圓極化天線之間距離只能有限增加，無(wú)法滿足距離要求，在此基礎(chǔ)上，對(duì)單脈沖天線陣列采用Y軸方向非均勻布陣方式，進(jìn)一步增大兩個(gè)天線之間的距離；同時(shí)通過(guò)旋轉(zhuǎn)圓極化天線結(jié)構(gòu)，使圓極化天線的振子方向成45°夾角放置；并在圓極化天線與測(cè)控天線之間增加圓環(huán)狀金屬隔離結(jié)構(gòu)，改善圓極化天線的電流分布。通過(guò)以上措施，優(yōu)化復(fù)合天線的相關(guān)參數(shù)，最終在在參數(shù)dx=110 mm，dy= 160 mm，ll=160 mm，gr=130 mm時(shí)，圓極化天線軸比在工作帶寬內(nèi)小于2.5 dB，滿足工程使用要求。圓極化天線方向圖如圖12所示，由于天線之間的耦合作用，圓極化天線方向圖產(chǎn)生一定變形，方向圖變成平頂形狀，天線最大增益略有降低，3 dB波束寬度變寬，同時(shí)由于地板的反射作用，天線的前后比得到改善。

圖10 天線模型示意圖

圖11 圓極化天線方向圖仿真結(jié)果

圖12 圓極化天線軸比設(shè)計(jì)結(jié)果

2 測(cè)試結(jié)果與分析

根據(jù)計(jì)算設(shè)計(jì)結(jié)果，加工制作了共口徑復(fù)合天線樣機(jī)，天線罩采1 mm厚玻璃鋼材質(zhì)；采用微波介質(zhì)板加工制作了輻射層，圓極化天線振子內(nèi)側(cè)有金屬過(guò)孔。為增加共口徑天線的環(huán)境耐受性，對(duì)介質(zhì)層的金屬涂層進(jìn)行了表面沉錫工藝處理，該工藝既可以提高印刷電路的可焊性，同時(shí)又能對(duì)金屬層起到防氧化、腐蝕的作用。結(jié)構(gòu)件加工完成后，對(duì)共口徑天線進(jìn)行了裝配，和差器和圓極化器通過(guò)射頻電纜與共口徑天線連載在一起。天線樣機(jī)照片如圖13所示。采用Agilent E5071C矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀和天線自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)在微波暗室中對(duì)天線樣機(jī)的電性能進(jìn)行了測(cè)試，分別測(cè)試電壓駐波比、增益方向圖和軸比等特性。

圖13 天線樣機(jī)照片

高增益線極化天線測(cè)試結(jié)果如圖16～17所示。圖14給出高增益線極化天線的合口和差口電壓駐波比計(jì)算與測(cè)試結(jié)果，其中實(shí)線為計(jì)算結(jié)果，虛線為測(cè)試結(jié)果。由仿真結(jié)果可知，計(jì)算結(jié)果和實(shí)測(cè)結(jié)果兩條曲線的趨勢(shì)基本相似，天線在1.2～1.8 GHz頻帶范圍內(nèi)電壓駐波比均小于1.8，在工作帶寬內(nèi)阻抗特性良好。圖15給出了天線在中心頻率的何口和差口測(cè)試方向圖。由測(cè)試結(jié)果可知，天線的和方向圖副瓣由于共口徑適應(yīng)設(shè)計(jì)略有變差，天線差方向圖方位面差波束零值深度小于-27 dB，滿足單脈沖天線方向圖要求。圓極化天線測(cè)試結(jié)果如圖16～20所示。圖16給出圓極化天線的電壓駐波比計(jì)算與測(cè)試結(jié)果。由圖可知，計(jì)算結(jié)果和實(shí)測(cè)結(jié)果兩條曲線的趨勢(shì)基本相似，天線在1.2～1.8 GHz頻帶范圍內(nèi)電壓駐波比均小于1.6，在工作帶寬內(nèi)具有良好阻抗特性。圖17和圖28給出了天線在中心頻率的方向圖和軸比測(cè)試結(jié)果。由測(cè)試結(jié)果可知，天線的仿真和實(shí)測(cè)結(jié)果基本一致。圖19給出了復(fù)合天線的兩種天線的增益的測(cè)試結(jié)果。由測(cè)試結(jié)果可知，高增益線極化天線在工作帶寬內(nèi)增益>13.5 dB，寬帶圓極化天線在工作帶寬內(nèi)增益>6.5 dB，兩種天線具有良好的寬帶輻射特性。圖20給出了寬帶圓極化天線的軸比的測(cè)試結(jié)果，由測(cè)試結(jié)果可知，在工作帶寬內(nèi)天線軸比小于2.5 dB，具有良好的圓極化輻射特性。

圖14 線極化天線壓駐波比實(shí)測(cè)與仿真結(jié)果

圖15 線極化天線測(cè)試方向圖

圖16 圓極化天線電壓駐波比實(shí)測(cè)與仿真

圖17 圓極化天線增益測(cè)試方向圖

圖18 圓極化天線軸比測(cè)試結(jié)果

圖19 復(fù)合天線增益實(shí)測(cè)與計(jì)算結(jié)果

圖20 圓極化天線軸比測(cè)試結(jié)果

3 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種基于印刷振子結(jié)構(gòu)的寬頻帶共口徑復(fù)合天線。通過(guò)兩種不同形式的印刷偶極子進(jìn)行共口徑設(shè)計(jì)，包含寬帶高增益線極化天線和寬帶圓極化天線兩種天線。高增益線極化天線采用平面印刷偶極子結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了寬帶定向耦合器實(shí)現(xiàn)了天線和差方向圖輻射，滿足寬帶單脈沖天線的工作要求。寬帶圓極化天線采用十字印刷偶極子實(shí)現(xiàn)圓極化輻射。兩種天線單元印刷在同一層微波介質(zhì)板上，采取優(yōu)化天線單元布局，調(diào)整相對(duì)位置關(guān)系和增加金屬隔離環(huán)等3種措施，減小了天線之間的耦合對(duì)圓極化天線軸比的影響，最終實(shí)現(xiàn)共口徑天線滿足工程應(yīng)用要求。加工了天線樣機(jī)，實(shí)測(cè)結(jié)果與計(jì)算結(jié)果基本一致。兩種天線在工作帶寬1.2～1.8 GHz頻段范圍內(nèi)電壓駐波比均小于1.6，天線增益分別大于13.5 dB和6.5 dB，具有良好的阻抗特性和輻射特性，可以分別滿足單脈沖跟蹤系統(tǒng)和圓極化通信系統(tǒng)天線需求。該復(fù)合天線可以適應(yīng)多種無(wú)線通信系統(tǒng)的使用要求，有效減少了綜合通信系統(tǒng)的天線數(shù)量，節(jié)省載體平臺(tái)的安裝空間，同時(shí)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，剖面低、易于工程實(shí)現(xiàn)等特點(diǎn)，具有廣闊的應(yīng)用前景。