申強強,楊 康,陳曉鵬

(中國船舶集團(tuán)有限公司第八研究院,南京 211153)

0 引 言

雷達(dá)與偵測系統(tǒng)的威力性能試驗、驗證要求使用高功率的信號源。信號源的等效全向輻射功率主要由天線增益和發(fā)射機(jī)功率兩部分組成[1]。提高天線增益或發(fā)射機(jī)功率可增大等效全向輻射功率。常用的信號源天線為波導(dǎo)喇叭饋源的反射面天線,該形式天線如須提高天線增益,則要增加反射面尺寸,當(dāng)頻率較低時,反射面可能相當(dāng)巨大[2]。反射面天線采用集中式固態(tài)發(fā)射機(jī),必須進(jìn)行多路功率合成,在百千瓦功率量級情況下,只有波導(dǎo)合成網(wǎng)絡(luò)能夠滿足相應(yīng)的峰值功率要求,波導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)尺寸很大,放大鏈路中還需要通過高功率隔離器、波導(dǎo)環(huán)行器改善級間隔離或饋線駐波,這些大尺寸器件均使得發(fā)射機(jī)尺寸大,結(jié)構(gòu)復(fù)雜,結(jié)構(gòu)布局困難。

本文設(shè)計一種應(yīng)用于大功率信號源的磁電偶極子陣列,相對于反射面天線,天線剖面顯著降低。采用各天線單元分布式發(fā)射,無須進(jìn)行功率合成,減去了尺寸很大的波導(dǎo)網(wǎng)絡(luò),降低了整個放大鏈路的復(fù)雜程度。

1 天線原理及其設(shè)計

磁電偶極子天線于2006年由Luk 提出[3],其目標(biāo)是設(shè)計一款頻率特性穩(wěn)定同時能抑制后瓣輻射的寬帶天線,這種新型天線形式能夠取得43.8%的相對帶寬,在工作頻帶內(nèi)增益圍繞8 dBi小范圍波動,能有效降低交叉極化,在E面和H面能有對稱的方向圖且在工作頻帶內(nèi)比較穩(wěn)定。磁電偶極子天線結(jié)構(gòu)緊湊,采用一條Γ型空氣微帶線同時激勵水平貼片和垂直短路貼片。天線水平方向上是一對電偶極子;與之相連并與地板連接的垂直貼片作為磁偶極子,組成結(jié)構(gòu)簡單的磁電偶極子天線。這種新型組合型天線能取得較寬的阻抗匹配帶寬,而且E面和H面方向圖幾乎一樣,在工作頻帶內(nèi)還能有穩(wěn)定的增益表現(xiàn),有效抑制后向輻射。

天線結(jié)構(gòu)如圖1所示,主要由兩塊寬度為W、長度為L的矩形水平貼片沿天線中間對稱放置,邊緣處焊接離地高度為H=0.217λ0的垂直短路貼片,垂直貼片再與下方地板相連,反射地板起到定向輻射的作用。饋電部分由一個Γ形空氣微帶線構(gòu)成,通過普通N型頭連接激勵。兩塊水平貼片之間的距離為S。天線的具體結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

表1 寬帶磁電偶極子天線的尺寸表

(a)3D視圖

Γ型饋線實際上就是一段普通的微帶線,通過彎折形成Γ狀饋線。電偶極子和磁偶極子的矩形貼片通過放置在天線中間位置的Γ型饋線來同時激勵,不難發(fā)現(xiàn)其實這也是一種耦合饋電方式。Γ型饋線可以看作由3部分構(gòu)成[4]:Γ型饋線較長一段垂直部分的底部與位于地板下面的N型接頭焊接,這部分饋線的作用主要是將N型接頭過來的能量傳輸?shù)金伨€的水平部分,事實上它還是一段與鄰近垂直貼片組成的50 Ω微帶線;第二部分即饋線的與對稱水平貼片偶極子高度相同的水平部分,主要負(fù)責(zé)將第一段傳遞過來的能量耦合到電偶極子和磁偶極子;第三部分即與第二部分相連的較短的懸空微帶傳輸線,這部分微帶線在阻抗圖上表現(xiàn)為容性,通過調(diào)節(jié)這段微帶線的長度使其能夠抵消水平部分的感抗,所以調(diào)節(jié)這段微帶線長度可以進(jìn)行阻抗匹配。

圖1中的磁電偶極子天線輻射水平貼片可通過螺釘或焊接方式固定在金屬地板上,Γ型饋線則只是通過焊接在同軸接頭內(nèi)芯上,這種固定方式在震動情況下極不可靠。為提高天線在車載或船載情況下的抗震動性能,Γ型饋線饋電部分增加了一個聚四氟乙烯塊,如圖2所示。

圖2 寬頻帶磁電偶極子天線的駐波比

聚四氟乙烯塊與金屬地板、輻射貼片、Γ型饋線3部分均通過介質(zhì)螺釘進(jìn)行固定,增加了輻射貼片和Γ型饋線振動下的可靠性。同時,該聚四氟乙烯塊也提高了安裝精度和安裝的便攜性。聚四氟乙烯塊采用機(jī)加工成型,具有較高的精度,輻射貼片安裝時只須保證與聚四氟乙烯快緊密貼合,Γ型饋線安裝時只須保證安裝在限位槽中,安裝完成即可保證輻射貼片與Γ型饋線之間的間距符合設(shè)計要求。天線用HFSS 軟件仿真后,圖3給出了該天線的駐波比曲線圖,結(jié)果顯示相對帶寬達(dá)到82.4%(VSWR≤2),展現(xiàn)出較好的寬頻帶特性。

圖3 寬頻帶磁電偶極子天線的駐波比

由于應(yīng)用于大功率信號源,天線單元須承受很大的瞬時功率,當(dāng)功率過大時,天線單元有擊穿的風(fēng)險。該情況可根據(jù)天線單元的輸入功率進(jìn)行仿真計算。根據(jù)設(shè)計要求,每個天線峰值單元功率為1 kW,電場最大處在Γ型饋線上。由圖4可以看出,頻率越低,天線單元中的最大電場強度越大。仿真得到最大場強為8.36×105V/m,小于空氣和聚四氟乙烯的擊穿場強。在大功率條件下天線單元可正常工作。

(a)fL

2 陣列天線測試

依據(jù)上述仿真的天線單元,加工一個4×4的天線子陣樣件,天線振子之間的間距為0.667λ0,天線子陣尺寸為2.667λ0×2.667λ0,如圖5所示。

天線子陣在室內(nèi)遠(yuǎn)場測試系統(tǒng)進(jìn)行了測試,以圖5的形式垂直架設(shè)在測試轉(zhuǎn)臺上,此時天線子陣為垂直極化。在距離天線子陣一定距離且處于同一高度的地方架設(shè)一個喇叭天線作為信號源。天線子陣可通過轉(zhuǎn)臺在方位面進(jìn)行轉(zhuǎn)動,測出天線子陣的方位面方向圖。天線子陣測試與仿真方向圖對比如圖6所示,測試結(jié)果與仿真結(jié)果具有較好的一致性。

(a)fL

將天線子陣替換為標(biāo)準(zhǔn)增益喇叭,即可測出標(biāo)準(zhǔn)增益喇叭的方向圖。將標(biāo)準(zhǔn)增益喇叭和天線子陣所接收到的最大信號電平進(jìn)行比較,即可求得天線子陣的增益:

GAUT=PAUT-Phorn+Ghorn

(1)

式中,Ghorn為標(biāo)準(zhǔn)增益喇叭的增益,dB;PAUT為天線接收的最大電平,dBm;Phorn為標(biāo)準(zhǔn)增益喇叭接收的最大電平,dBm。

天線子陣測試與仿真增益對比如圖7所示,測試結(jié)果與仿真結(jié)果一致性較好。

圖7 仿真與測試增益對比

3 結(jié)束語

本文設(shè)計了一種耐大功率的磁電偶極子陣列天線,經(jīng)過仿真與測試對比,天線具有良好的寬帶性能,且具有輻射大功率信號的能力。天線的耐功率性能通過連接功放設(shè)備進(jìn)行了驗證,天線未出現(xiàn)打火或發(fā)熱嚴(yán)重的問題。