馬劍南,王 亮,趙 航

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所,河北 石家莊 050081)

0 引 言

隨著電子科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展,高功率輻射需求也隨之快速增多,對(duì)天線的要求也越來越高,天線不但具備發(fā)射和接收多重功能,同時(shí)還要具有更高的功率容量[1,2]。所以需要研制出功率容量大和工作帶寬寬的天線形式。對(duì)稱振子天線以其具有技術(shù)成熟、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)捷、易加工和易組陣等優(yōu)點(diǎn),被廣泛應(yīng)用于通信、廣播電視、雷達(dá)和飛行器等領(lǐng)域[3]。目前對(duì)稱振子天線出現(xiàn)了許多形式,都是以提高性能和滿足不同應(yīng)用為目的演變而來的,通常借助合適的巴倫設(shè)計(jì)可以有效改善天線的性能,解決天線輸入阻抗與饋線特性阻抗不匹配的問題[4]。本文設(shè)計(jì)的振子天線采用了硬同軸結(jié)構(gòu)的饋電設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)了承受2 000 W連續(xù)波功率的能力,并且駐波性能良好,達(dá)到2以下。

1 天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖1分別是天線外形結(jié)構(gòu)的俯視圖和側(cè)視圖。天線從上到下依次是頂加載、輻射振子、介質(zhì)支撐、硬同軸線、安裝法蘭、反射地板。頂加載為金屬圓盤,圓盤加載結(jié)構(gòu)一方面引入新的諧振點(diǎn)來展寬天線帶寬;另一方面增加對(duì)地的電容使天線諧振頻率降低,等效減小了振子長(zhǎng)度,其半徑為R_1。輻射振子為領(lǐng)結(jié)形結(jié)構(gòu),利用其漸變特性,可以展寬天線工作帶寬,末端向下彎折,縮減橫向尺寸。介質(zhì)支撐保證天線電氣絕緣的位置絕緣良好,并且為天線提供一定的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。硬軸線為空氣同軸結(jié)構(gòu),金屬外導(dǎo)體既是結(jié)構(gòu)支撐件,同時(shí)也是傳輸線的外屏蔽層,天線的極化設(shè)計(jì)為線極化形式,滿足大部分超短波通信、雷達(dá)、數(shù)據(jù)鏈等場(chǎng)景的使用。

圖1 天線外形示意圖

輻射振子天線與頂加載之間有一段間隙,間隙距離為27 mm,可適當(dāng)調(diào)節(jié)間隙尺寸來調(diào)節(jié)天線匹配情況。金屬頂加載設(shè)計(jì)為圓盤結(jié)構(gòu),結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,易于加工。通過輻射振子上的聚四氟乙烯圓環(huán)支撐起來。

2 硬同軸線設(shè)計(jì)

同軸線是微波射頻工程中最常用的一種傳輸線。同軸線是由共軸線的實(shí)心圓柱導(dǎo)體和空心圓柱金屬管構(gòu)成的雙導(dǎo)體傳輸線。常見的同軸線分為兩種類型,一種是內(nèi)外導(dǎo)體之間為軟絕緣介質(zhì)支撐的軟同軸線,又叫做同軸電纜;另一種是由絕緣墊圈支撐內(nèi)外導(dǎo)體的硬同軸線。圖2為硬同軸線的結(jié)構(gòu)形式,硬同軸線的內(nèi)外導(dǎo)體直接填充的介質(zhì)一般為空氣,其每間隔一段距離設(shè)計(jì)一個(gè)高頻介質(zhì)支撐,以保證同軸線的共軸性,硬同軸線的特點(diǎn)是內(nèi)外導(dǎo)體直徑大,電磁波傳輸損耗低,功率容量大,本設(shè)計(jì)就是利用硬同軸線的這一特點(diǎn),將其作為天線的饋電傳輸線。

圖2 硬同軸傳輸線結(jié)構(gòu)示意圖

同軸線既可以傳輸無色散的TEM波,又可以傳輸色散的TE波和TM波。TEM模是同軸線的主模,而TE/TM為同軸線的高次模。根據(jù)TEM模的特性可知,同軸線具有寬頻特性,可以從直流一直工作到毫米波頻段。選擇硬同軸傳輸線兼具寬頻帶和大功率容量?jī)?yōu)勢(shì)。

圖3為硬同軸線截面圖,硬同軸線特性阻抗為:

圖3 硬同軸傳輸線橫截面

(1)

式中b為同軸線外導(dǎo)體內(nèi)半徑,a為內(nèi)導(dǎo)體外半徑,εr為填充介質(zhì)的介電常數(shù),對(duì)于空氣同軸線介電常數(shù)為1。設(shè)計(jì)值b=8 mm,a=3.46 mm,空氣的εr=1,此時(shí)特性阻抗值為50 Ω,滿足阻抗要求。

與此同時(shí),同軸線的功率容量計(jì)算公式為[5]:

(2)

對(duì)于該硬同軸線,b=8 mm,a=3.46 mm,εr=1,Eb=30 kV/cm,可算出該同軸線的功率容量為Pb=750 kW。

通常滿足功率2 000 W,即可以滿足大部分的應(yīng)用需求,一方面硬同軸饋電結(jié)構(gòu)需要滿足該功率容量,另一方面,天線上的非金屬材料需要選擇耐高溫的材料,比如玻璃鋼、聚四氟乙烯等,避免選擇尼龍等耐溫性能差的材料。

3 輻射振子設(shè)計(jì)

根據(jù)天線理論分析,在自由空間,對(duì)稱振子的輸入阻抗為[6]:

(3)

式中對(duì)稱振子對(duì)應(yīng)傳輸線的特性阻抗為:

(4)

其中,2l為振子總長(zhǎng),a為對(duì)稱振子臂半徑。由式(3)可以看出,對(duì)稱振子的輸入阻抗由實(shí)部和虛部組成,為了方便分析,可以將其寫成Zin=R0(l)+jX0(l)。在具體設(shè)計(jì)過程中,由于天線的臂長(zhǎng)已確定,則輸入阻抗可以改寫與頻率有關(guān)的函數(shù)Zin=R0(l)+jX0(f),可用圖4的等效電路表示,Z0(Y0)為與頻率無關(guān)的饋電傳輸線特性阻抗(導(dǎo)納)。

圖4 輻射振子匹配等效電路圖

根據(jù)微波傳輸線理論可知,等效電路實(shí)現(xiàn)阻抗匹配必須滿足負(fù)載阻抗等于傳輸線阻抗的條件:Zin=Z0,即R0(f)=Z0,X(f)=0,才能達(dá)到理想匹配[7]。這在對(duì)稱振子天線設(shè)計(jì)中,除了在某些諧振點(diǎn)可以滿足此條件外,在寬頻帶范圍內(nèi)很難得到滿足。因此,工程上通常認(rèn)為,只要在一定頻率范圍內(nèi)滿足:R0(f) ≈Z0,X(f)

為了使天線匹配到50 Ω系統(tǒng)上,首先需要對(duì)其進(jìn)行阻抗匹配設(shè)計(jì),對(duì)天線進(jìn)行參數(shù)化建模和參數(shù)化分析如圖5所示,圖5(a)是VSWR隨著R_1變化趨勢(shì),選擇合適的R_1值為120 mm,可以使駐波值在2.0以下。圖5(b)是VSWR隨著L_1變化趨勢(shì),選擇合適的L_1值為360 mm,可以使駐波值在2.0以下。

圖5 VSWR變化曲線圖

對(duì)饋電端口激勵(lì)2 000 W連續(xù)波信號(hào),此時(shí)輻射振子上激勵(lì)起的電流分布如圖6所示,當(dāng)輸入正弦信號(hào)時(shí),電流的方向會(huì)反復(fù)變化,但是整個(gè)天線上的電流方向基本相同,沒有出現(xiàn)明顯的反向電流,因此波束不會(huì)分裂,輻射性能良好,不同頻點(diǎn)的仿真方向如圖7和圖8所示。

圖7 低頻輻射方向圖

圖8 高頻輻射方向圖

反射地板與輻射振子的距離一般為中心頻率對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)的1/4,目的是在不改變水平面波束寬度的前提下,將后向能量匯聚到前向,獲得增益提高。優(yōu)化后天線各個(gè)尺寸參數(shù)見表1。

表1 優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)參數(shù)

4 實(shí)測(cè)結(jié)果

為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案的正確性,按照仿真得到的模型尺寸,對(duì)天線的各個(gè)部件加工、裝配、調(diào)試,使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對(duì)加工好的實(shí)物進(jìn)行測(cè)試,實(shí)測(cè)和仿真電壓駐波比VSWR曲線如圖9所示。由于實(shí)際加工中,天線裝配的部件較多,在加工過程中部分配件未能保持很好的精度,天線駐波比和仿真有一定的差異,但通過調(diào)試頂加載結(jié)構(gòu),可以使駐波比滿足指標(biāo)要求,駐波比實(shí)測(cè)值為1.85,滿足VSWR<2.0的要求。

圖9 電壓駐波比曲線(實(shí)測(cè)和仿真)

對(duì)于天線方向圖測(cè)試采用的是場(chǎng)地遠(yuǎn)場(chǎng)法,收發(fā)天線之間的測(cè)試距離滿足遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)試距離條件,即收發(fā)天線之間的距離R滿足:

(5)

式中:R為收發(fā)天線之間的距離;λ為工作波長(zhǎng);D為待測(cè)天線口徑(天線最大線尺寸)。

在滿足遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)試條件的前提下,天線增益測(cè)試通常采用波束寬度法、比較法和方向圖積分法,本文采用了方向圖積分法來得到遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖及增益。實(shí)測(cè)了天線方向圖,并和仿真結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比,實(shí)測(cè)和仿真結(jié)果吻合良好,如圖10所示。

圖10 天線方向圖(實(shí)測(cè)和仿真)

5 結(jié)論

研制了一種工作在超短波頻段、功率容限高、工作帶寬寬的振子天線。饋電采用空氣硬同軸線結(jié)構(gòu),兼具寬頻帶和大功率容量特點(diǎn),并結(jié)合頂加載手段實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)帶寬。通過天線的仿真及實(shí)測(cè),證明該振子天線既滿足增益和波束寬度要求,又滿足了低駐波比和高功率容量要求。該振子天線可以作為陣列天線中的陣元模塊,結(jié)合后端的分布式功放,實(shí)現(xiàn)更高的定向輻射功率。