張國(guó)龍

（南京電子技術(shù)研究所 江蘇省南京市 210039）

電子對(duì)抗是敵對(duì)雙方為削弱、破壞敵對(duì)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(dòng)，又稱電子戰(zhàn)。電子對(duì)抗又分為三個(gè)方面：電子干擾、電子防御、電子對(duì)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(zhēng)中越來越不可取代，而電子對(duì)抗能力逐漸成為衡量國(guó)家軍事實(shí)力的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。

電子對(duì)抗技術(shù)的發(fā)展離不開雷達(dá)技術(shù)的提升，而雷達(dá)截獲能力以及截獲效率的提升離不開雷達(dá)帶寬的提升，所以發(fā)展電子對(duì)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(gè)相對(duì)度量，如果一個(gè)天線可以滿足大于等于一個(gè)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(duì)抗天線從對(duì)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(duì)抗應(yīng)用中定向天線通常是平面螺旋天線、對(duì)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(diǎn)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(shí)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(zhǎng)度直接影響到螺旋天線的剖面厚度，傳統(tǒng)巴倫長(zhǎng)度約為λmax/2，而其寬度一般取5mm，但其實(shí)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(gè)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(zhǎng)度，降低剖面厚度。

1 理論分析

1.1 巴倫設(shè)計(jì)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(fù)載為RL，每節(jié)的長(zhǎng)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(gè)不連續(xù)處產(chǎn)生反射的疊加，即

式中：

如果變換器是對(duì)稱的，式（1）可簡(jiǎn)化為：

合適的選擇Ζ1，Ζ2，Ζ3，…，ΖN可以實(shí)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?cè)O(shè)計(jì)中用到的微帶漸變巴倫是相同的，當(dāng)把階梯阻抗變換器中的每一段四分之一波長(zhǎng)微帶線等效為無限小微帶線dx時(shí)，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(jì)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(jì)的尺寸，但在后面的設(shè)計(jì)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(jì)的長(zhǎng)度，為天線小型化做了進(jìn)一步的推進(jìn)。

2 新型巴倫建模

2.1 曲折型巴倫建模

在設(shè)計(jì)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(dú)的指數(shù)漸變線，其間用等長(zhǎng)的漸變四分之一圓弧代替，這樣同樣的巴倫長(zhǎng)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(jì)是將巴倫的微帶漸變線做到了一個(gè)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(dá)50，接輻射器端阻抗為63，且虛部較好，完全可以達(dá)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(shí)物設(shè)計(jì)與對(duì)比

3.1 傳統(tǒng)C波段天線設(shè)計(jì)

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(zhǎng)度應(yīng)為L(zhǎng)=λmax/4 即為18.75mm。天線的增長(zhǎng)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(zhǎng)度為18mm。建好模型圖如圖8，制作天線實(shí)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(shí)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(cè)試回波損耗

圖11：天線測(cè)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(cè)試增益

圖13：天線測(cè)試軸比

3.2 新型C波段天線設(shè)計(jì)

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(jì)的巴倫，通過改進(jìn)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(gè)曲折線，天線整體長(zhǎng)度變?yōu)榱?3mm，降為原來巴倫長(zhǎng)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(jì)的巴倫饋電變?yōu)闄M向饋電，但如果加腔體無法饋電，同時(shí)腔體厚度還做不到13mm，會(huì)影響最后測(cè)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(shí)物圖，由于沒加背腔，拿泡沫做支撐，巴倫的長(zhǎng)度很小，相對(duì)傳統(tǒng)天線有很大改進(jìn)。

圖15：新型C 波段實(shí)物圖

圖16 和圖17 為新型天線回波損耗和駐波比的測(cè)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(cè)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(duì)比傳統(tǒng)天線與新型天線，巴倫長(zhǎng)度上新型天線降低了30%左右，天線的各個(gè)電性能也都很好，可見曲折型巴倫和圓環(huán)型巴倫對(duì)將來降低剖面有很大的意義。

圖16：天線測(cè)試回波損耗

圖17：天線測(cè)試駐波比

圖18：新型天線測(cè)試增益

圖19：新型天線測(cè)試軸比

4 結(jié)束語

本文介紹了新型巴倫設(shè)計(jì)制作與應(yīng)用。設(shè)計(jì)制作了更小型化的曲折型巴倫以及圓環(huán)型巴倫，針對(duì)巴倫的應(yīng)用進(jìn)行分析，并設(shè)計(jì)制作了傳統(tǒng)C 波段天線與新型C波段天線進(jìn)行對(duì)比。從測(cè)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)。