低頻天線測量系統中寬帶雙極化源天線研究

尚軍平　賈涵秀　劉少迪　左炎春　胡永浩

(西安電子科技大學 天線與微波技術國家重點實驗室,西安 710071)

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低頻天線測量系統中寬帶雙極化源天線研究

尚軍平賈涵秀劉少迪左炎春胡永浩

(西安電子科技大學 天線與微波技術國家重點實驗室,西安 710071)

摘要低頻天線測量系統中采用四脊喇叭天線作為發射源天線,為實現四脊喇叭天線在低頻段的小型化,設計了一種新型結構:脊邊緣采用鋁固體結構,內部采用蜂窩結構來減小天線尺寸和重量．利用HFSS仿真軟件對喇叭天線整體結構參數進行優化,并對其進行加工測試．仿真和測試結果表明:后腔采用可調短路板可抑制駐波奇異點的出現;實際加工過程中,將聚四氟乙烯板填充在四個對稱脊中間確保脊的對稱性,并得到良好的電性能．該天線已應用于低頻天線測試系統,在錐形暗室中作為發射源天線來測量汽車天線的方向圖．

關鍵詞低頻;雙極化;四脊喇叭天線;可調短路板

引言

隨著電子對抗以及電子偵察技術的發展, 要求天線具有寬頻帶、 極化可變等特性[1].寬帶天線在微波測量、電磁兼容性(Electro Magnetic Compati-bility, EMC)測試、雷達、檢測系統和通信系統都有廣泛應用．尤其是在EMC測試和天線測量中,它們的寬帶性能允許用戶在很寬頻率范圍內測量而不需要更換測試源天線．

為了適應無載波脈沖型雷達要求,超寬頻天線通常應該具有結構簡單、單向輻射、較小的脈沖失真、良好的線性相位和較低的反射損耗等特性．TEM 喇叭天線是探測雷達中最常用的天線,這類天線具有增益高、寬帶和色散小以及易于加工等特點[2].文獻[3]介紹了各種相關的設計和詳細的分析,比如對數周期,雙椎體,螺旋和喇叭天線．但增益和幾何尺寸的限制,使一些像對數周期天線的天線不適合用在某些空間,如錐形暗室[4].近年來脊喇叭天線比其他種類的寬帶天線使用更廣[5].隨著天線測量的發展,也更加需要在較低頻率進行更精確的測量．然而,現有的最低的頻率大約是100 MHz[6-7].

車載電臺天線頻率較低,為滿足該類天線測試,研制了一種75～500 MHz低頻寬帶雙極化四脊喇叭天線,它在錐形暗室中作為暗室屏蔽體的一部分,在測量天線方向圖時作為發射源天線．測量兩個主面方向圖時只需改變兩個激勵端口而無需轉動源天線．該天線已成功應用于一汽車天線測量系統中,獲得較好結果．

1雙極化四脊喇叭初始尺寸的設計

新型四脊喇叭天線的初始設計與傳統喇叭天線相同．該天線橫剖面示意圖如圖1所示,它在結構上可以分為三部分:直波導段、同軸-脊波導變換段和帶脊喇叭段．在輻射器中加入四個脊用來展寬頻帶．

為了具備良好的阻抗漸變效果,脊曲線采用指數形式,用修正后的指數函數來確定軸向曲率．在圖1所示的坐標系中,脊曲線方程為:

Y(z)=Y(0)·eMz+Nz.

(1)

式中: M=(1/L)·ln((g/2-NL)/Y(0)),g為喇叭口面邊長,N一般取經驗值0.02; Y(0)=d/2,d為脊間最小間距．

(1.直波導　2.同軸——脊波導轉換　3.帶脊喇叭段)圖1　四脊喇叭橫截面剖面示意圖

2四脊喇叭天線結構優化設計

雙極化四脊喇叭天線由兩個正交的探針饋電,得到垂直極化和水平極化兩個極化分量,其主要的性能指標列于表1．實際結構如圖2．

表1　雙極化四脊喇叭天線性能參數

圖2　四脊喇叭天線

2.1直波導段的優化設計

根據波導傳輸理論,在脊波導的后端加一段直波導(長度應小于最高工作頻率的半個波長),可以濾除被激勵出來的TE20模,因此脊波導的可用帶寬可擴展到λc10∶λc30,使單模工作帶寬被大大地加寬．為了抑制駐波奇異點的出現,在直波導的底部插入一個方形可調短路腔,通過調節該短路腔可改善天線駐波性能,以獲得更低的回波損耗．

2.2同軸-直波導轉換的優化設計

同軸-直波導段天線饋電部分采用N型同軸接頭,同軸線的外導體連在波導的側壁上,內導體通過一個脊的腔體,連到另一個相對脊上形成單極輻射器,以實現匹配．實際制作中,將內導體末端表面鍍上材質較軟的良導電材料,通過擠壓方式以保證內導體與脊的良好接觸．

仿真表明,電壓駐波比和隔離度對雙極化四脊喇叭天線兩個同軸內導體之間的距離及同軸內導體與底部波導之間的距離變化很敏感,因此,在天線加工時需要密切關注這兩個參數的變化．

為了實現N型接頭和同軸連接器之間阻抗有效匹配,在它們之間加入過渡錐形漸變結構來維持饋線50 Ω的輸入阻抗,同時,這樣做也可以有效提高連接段耐高功率電平．

天線饋電部分由兩個正交錯開設置的探針組成．為實現天線兩個端口駐波比性能的一致性,本文設計了兩根直徑φ=8.4 mm的饋電探針,并優化探針間距,使得兩饋電端口電壓駐波性能基本一致．

2.3帶脊喇叭段的優化設計

根據喇叭天線理論,設計喇叭天線頻率很低,導致天線尺寸和重量較大,結構難以實現．為解決這些問題,喇叭天線的脊邊緣采用鋁固體結構,內部采用蜂窩結構,如圖1和圖3所示．

圖3　喇叭天線脊的切角

為確保四個脊正交放置且結構不重疊,保證脊寬和脊間距,在脊的底部加入倒角結構,通過HFSS仿真來選擇合適的角度α和寬度s1．考慮到實際加工過程中,天線結構易變形,因而將相對介電常數為εr的聚四氟乙烯板插在四個對稱脊中間作為支撐．測量分析發現該聚四氟乙烯板對天線性能影響極小．

2.4外部支撐設計

天線外部使用金屬法蘭結構固定喇叭天線以支撐天線龐大的方形結構,如圖2所示．為使天線移動方便,將其固定在一可移動框架小車上．在EMC測試或天線測量中若該天線作發射源天線時,該天線無需轉動,只需前后移動即可．

3天線仿真及實際測量

在四脊喇叭天線初步模型的基礎上,為了驗證上述設計和保證模擬結果的正確性,利用基于有限元法的Ansoft HFSS模擬高頻率結構模擬器對該四脊喇叭天線的結構及參數進行進一步優化．

仿真表明,喇叭段長度L和喇叭口面邊長g變化對天線性能影響不大,只需根據波束寬度要求進行微調即可;聚四氟乙烯板對天線性能的影響也很微?。且谳^寬的工作頻帶內壓低駐波比、保持兩個極化端口的駐波比一致性,提高兩個端口的隔離度是本文的難點,需要進行大量的優化仿真．優化對象主要是脊波導部分和饋電部分的結構和尺寸．通過對脊間距d、脊寬度s、脊頂端寬度s1和切角α的優化結果表明:天線的駐波比對脊間距d最為敏感,優化后d取20 mm±0.05 mm．s的變化對駐波比的影響不大,但其取值有一個臨界值,超過該臨界值則駐波比曲線整體上浮,為減輕重量s取臨界值49 mm．α過大駐波比曲線整體上浮,s1過小上下邊頻的駐波比將大幅增加．另外,底部與脊之間的距離和可調短路板的位置對回波損耗也會產生一定影響．

圖4給出了該天線的兩個激勵端口的電壓駐波比實測結果,圖5給出了兩個同軸接口之間的隔離度．測試結果表明,電壓駐波比絕大部分小于2.0,隔離度在工作頻帶內大于30 dB．

圖4　工作頻帶每個同軸面上駐波比實測結果

圖5　工作頻帶兩個同軸端口之間的隔離度實測結果

增益采用比較法點頻測試,測試十個頻點水平和垂直極化的增益幾乎是相同的,測試結果如圖6所示．

圖6　工作頻帶增益實測結果

4結論

本文設計了一種新型75～500 MHz寬帶低頻雙極化四脊喇叭天線．經過仿真建模和優化設計,嚴格的加工工藝．該天線的兩個端口電壓駐波比、兩個饋電端口的一致性及兩端口隔離度均獲得良好的結果．該天線在低頻端相比其它天線有較大的增益,并可作為微波暗室屏蔽體的一部分,且已成功用于汽車廣播天線的EMC測試和天線測量中,如圖7所示．

圖7　在微波暗室的四脊喇叭天線

參考文獻

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Broadband and dual-polarized antenna in low frequency antenna measurement system

SHANG JunpingJIA HanxiuLIU ShaodiZUO YanchunHU Yonghao

(NationalLaboratoryofAntennasandMicrowaveTechnology,XidianUniversity,Xi’an710071,China)

AbstractTo reduce the weight of the dual-polarized quadruple-ridged horn antenna over the frequency range of 75-500 MHz, a composite sandwich structure is used to build the antenna, which comprises solid aluminium and honeycomb materials. The parameters of structure are optimized by Ansoft HFSS software, and an adjustable shorting plate is put at the bottom of the antenna to prevent the occurrence of singularities created by standing waves. A modified Teflon board is inserted into the interspace between the four symmetric ridges. Both simulation results and measurement results show that the satisfied impedance and pattern characteristics for interested bands are obtained.

Keywordslow frequency; dual polarization; quad-ridged horn antenna; adjustable shorting plate

收稿日期：2015-05-22

中圖分類號TN821+.1

文獻標志碼A

文章編號1005-0388(2016)02-0336-04

DOI10.13443/j.cjors.2015052202

作者簡介

尚軍平(1964-),男,陜西人，博士,副教授,研究方向為天線近遠場測量技術及應用．

賈涵秀(1991-),女,陜西人，碩士,研究方向為近場天線測量系統中測量探頭應用．

尚軍平, 賈涵秀, 劉少迪, 等. 低頻天線測量系統中寬帶雙極化源天線研究[J]. 電波科學學報,2016,31(2):336-339. DOI:10.13443/j.cjors.2015052202

SHANG J P, JIA H X, LIU S D, et al. Broadband and dual-polarized antenna in low frequency antenna measurement system[J].Chinese journal of radio science. (in Chinese).2016,31(2):336-339. DOI:10.13443/j.cjors.2015052202

資助項目: 企業創新基金(HX0110260715)

聯系人： 尚軍平 E-mail:jpshang@mail.xidian.edu.cn