寬帶雙極化天線測(cè)量探頭的設(shè)計(jì)與仿真

謝文佳 周 恬 洪 濤 宋曉峰

(1.國(guó)防科技大學(xué)信息通信學(xué)院，西安 710106；2.西安電子科技大學(xué)天線與微波技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710071)

1 引 言

近場(chǎng)測(cè)量是用一個(gè)特性已知的探頭，通過測(cè)出天線在近場(chǎng)上的輻射數(shù)據(jù)并通過近遠(yuǎn)場(chǎng)變換獲得天線輻射遠(yuǎn)場(chǎng)信息。這種方法突破了遠(yuǎn)場(chǎng)條件的限制，使大尺寸天線測(cè)試可以搬進(jìn)室內(nèi)進(jìn)行，對(duì)各種電掃描陣列天線、多波束天線的測(cè)量具有重要的意義[1]。平面近場(chǎng)測(cè)量是天線測(cè)量的重要分類之一，根據(jù)美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院(NIST)提出的評(píng)估平面近場(chǎng)測(cè)量質(zhì)量的指標(biāo)中，天線測(cè)量探頭的各種因素(探頭相對(duì)方向圖、探頭極化比率、探頭與待測(cè)天線的多次反射、探頭位置誤差等)與最終測(cè)量質(zhì)量息息相關(guān)。通過優(yōu)化探頭的性能，能夠提高天線測(cè)量的質(zhì)量和效率。測(cè)量時(shí)，若獲取待測(cè)天線的雙極化數(shù)據(jù)，采用單極化探頭不可避免要進(jìn)行機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)，采用雙極化探頭則不需要這種操作，可以減少操作時(shí)間，提高效率。由近場(chǎng)測(cè)量原理得到的雙極化測(cè)量探頭的基本指標(biāo)包括：高極化純度(盡量降低探頭的交叉極化信號(hào)對(duì)測(cè)量的影響)；在前半空間的方向圖應(yīng)盡量均勻，沒有大的起伏和零點(diǎn)；較寬的工作頻帶，使其在寬帶、超寬帶天線測(cè)量中更有效率[2]。

針對(duì)不同測(cè)量頻段和待測(cè)天線近場(chǎng)，測(cè)量探頭通常選用開口波導(dǎo)、交叉Vivaldi天線、角錐喇叭天線、對(duì)稱陣子天線等形式。最常使用的是方向圖主瓣寬且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、口面尺寸小的矩形開口波導(dǎo)探頭天線，但它同樣存在著很多不足，例如帶寬過窄導(dǎo)致寬帶天線測(cè)量時(shí)頻繁更換探頭和單極化特性不利于交叉極化測(cè)量。為了解決這些問題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出了很多方法優(yōu)化開口波導(dǎo)的特性。針對(duì)開口波導(dǎo)帶寬過窄的問題，Justin G. Pollock，Ashwin K. Iyer 等人通過在開口波導(dǎo)內(nèi)壁加載超材料內(nèi)襯來降低低頻截止頻率，增大方向圖主瓣寬度[3]。賈涵秀研究設(shè)計(jì)了一種應(yīng)用正交模耦合OMT(Ortho-Mode Transducer)饋電結(jié)構(gòu)的雙極化圓波導(dǎo)探頭天線，其由于OMT的平衡饋電功能而具有較高的極化純度和端口隔離度[4]。莊重，李斌等人應(yīng)用漸變四脊結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)雙極化輸出的方開口波導(dǎo)，其同時(shí)具有寬頻帶和高端口隔離度等優(yōu)點(diǎn)[5]。

本文在圓開口波導(dǎo)天線的基礎(chǔ)上，通過在波導(dǎo)腔體內(nèi)增加反向四脊結(jié)構(gòu)和差分饋電實(shí)現(xiàn)了一種寬帶的雙極化天線測(cè)量探頭。

2 探頭設(shè)計(jì)與分析

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

作為平面近場(chǎng)測(cè)量探頭，同時(shí)需要天線具有雙極化特性，在待選天線的形式上選擇了開口圓波導(dǎo)天線，因其橫截面為圓形，結(jié)構(gòu)對(duì)稱，在增加四脊結(jié)構(gòu)后施加合適的激勵(lì)，可以支持雙極化輸出。開口波導(dǎo)探頭由于缺乏與自由空間的過渡，往往其端口阻抗匹配過差，難以實(shí)現(xiàn)寬帶發(fā)射和接收，與普通開口波導(dǎo)相比，加脊波導(dǎo)具有更寬的帶寬、更小的物理尺寸、更好的匹配特性[6]。本文設(shè)計(jì)的探頭天線如圖1所示，在圓開口波導(dǎo)腔內(nèi)加入反向四脊結(jié)構(gòu)，在脊的底端有四根同軸探針兩路差分用來饋電。

圖1 雙極化天線測(cè)量探頭Fig.1 Dual-polarized antenna measurement probe

圖2 脊結(jié)構(gòu)和饋電方式Fig.2 Ridge structure and feeding

在脊的設(shè)計(jì)中，如圖2所示，脊曲線采用三階貝塞爾函數(shù)，比起常用的指數(shù)脊來說，其曲線有兩個(gè)控制點(diǎn)，可自由調(diào)節(jié)曲線起伏，在延伸出去的脊頂端曲線過渡更為平緩，口面處的反射更小。饋電端口到脊之間還有一段直過渡段，整體脊結(jié)構(gòu)在厚度上做了漸變處理，以提高天線的阻抗匹配效果。其中L=100mm，L1=10mm，w1=4mm，口面半徑R0=11mm。對(duì)稱四脊結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)是為了更好地而實(shí)現(xiàn)雙極化輸出，因?yàn)橥ㄟ^兩組差分的饋電探針在四脊底端饋電，每組分別控制一種極化模式，同一組探針上的電流等幅反相，探針上的輻射泄漏和耦合相互抵消，可以達(dá)到抑制交叉極化的目的[7]。

2.2 驗(yàn)證分析

使用Ansoft HFSS軟件進(jìn)行仿真驗(yàn)證，按照測(cè)量探頭的基本指標(biāo)，例如帶寬、方向圖、隔離度和交叉極化辨識(shí)度等，進(jìn)行優(yōu)化調(diào)試，最終得到的測(cè)量探頭口面尺寸為0.43λmax(λmax為低頻截止頻率對(duì)應(yīng)波長(zhǎng))，性能如表1所示。

表1 仿真結(jié)果

探頭是四端口輸入，在垂直和水平方向各有兩組端口，一組端口控制一種極化模式，端口1和2合并為輸入端口1，端口3和4合并為輸入端口2，其反射系數(shù)和傳輸系數(shù)可以定義為[8]

(1)

式中：Sdd11——輸入端口1的反射系數(shù)。

(2)

式中：Sdd22——輸入端口2的反射系數(shù)。

(3)

式中：Sdd21——輸入端口1到輸入端口2的傳輸系數(shù)。

(4)

式中：Sdd12——輸入端口2到輸入端口1的傳輸系數(shù)。

探頭的工作帶寬可以達(dá)到兩倍頻帶寬，圖3是雙線極化(垂直極化POL-V/水平極化POL-H)的|Sdd11|、|Sdd22|和|Sdd21|的結(jié)果圖，探頭在(5.9～12.5)GHz頻段內(nèi)，雙極化的|Sdd11|曲線十分接近，均小于-10dB，加脊降低了其低端截止頻率，口面尺寸相對(duì)簡(jiǎn)單開口圓波導(dǎo)天線減少了46%，具有更小的散射影響。

圖3 |Sdd11|、|Sdd22|和|Sdd21|隨頻率變化圖Fig.3 Relationship between the frequency and s parameter

天線的端口隔離度大于42dB，圖4顯示兩種線極化的模式下探頭天線的交叉極化辨識(shí)度都大于40dB，符合雙極化探頭的基本指標(biāo)，這也證實(shí)了這種四脊結(jié)構(gòu)應(yīng)用差分饋電的方式可以實(shí)現(xiàn)高端口隔離度和高極化純度。圖5為天線最大方向增益隨頻率變化的曲線，可以看到增益曲線較為平坦，且相互重合，可以提供較為穩(wěn)定的增益輸出。

圖4 交叉極化辨識(shí)度隨頻率變換圖Fig.4 Relationship between the frequency and cross-polarization discrimination for both polarizations

圖5 增益隨頻率變化圖Fig.5 Relationship between the frequency and gain for both polarizations

探頭的方向圖特性要求在前半平面(+/-90°)內(nèi)，沒有大的起伏和零點(diǎn)。因?yàn)樘筋^結(jié)構(gòu)對(duì)稱，兩種極化模式下特性基本一致，現(xiàn)給出探頭一種模式下的輻射方向圖仿真結(jié)果。天線工作在(5.9～12.5)GHz頻段，在頻段內(nèi)取5.9GHz、8GHz、9GHz、10GHz、11.5GHz、12GHz頻點(diǎn)處的E面(Phi=0°)和H面(Phi=90°)方向圖如圖6。

圖6 方向圖Fig.6 Radiation patterns

在5.9GHz處，天線的E面和H面方向圖的HPBW(半功率波束寬度)分別為99°，95°。8GHz處，天線的E面和H面方向圖的HPBW分別為89°，77°。9GHz處，天線的E面和H面方向圖的HPBW分別為84°，69°。10GHz處，天線的E面和H面方向圖的HPBW分別為80°，62°。11.5GHz處，天線的E面和H面方向圖的HPBW分別為68°，51°。12GHz處，天線的E面和H面方向圖的HPBW分別為69°，50°。

對(duì)于測(cè)量探頭的各種指標(biāo)，方向圖特性和帶寬更為重要，探頭的阻抗帶寬比(高頻頻率與低頻截止頻率的比值)可以達(dá)到2.2甚至更高，但是在(5.9～12)GHz的方向圖中HPBW均大于50°，更高頻波束變窄，適用于測(cè)量的方向圖帶寬為兩倍頻帶寬。而且這種探頭結(jié)構(gòu)可以擴(kuò)展用于低頻和高頻。

3 結(jié)束語

本文提出了一種兩倍頻帶寬的雙極化探頭天線結(jié)構(gòu)，具有小口徑，高隔離度，低交叉極化等優(yōu)點(diǎn)。帶寬的提升可以實(shí)現(xiàn)更少的探頭覆蓋常用的測(cè)量頻段，增強(qiáng)探頭使用的靈活性，小口徑尺寸具有更小的散射影響，高隔離度和低交叉極化則可以提高測(cè)量精度。雖然，這種探頭結(jié)構(gòu)可以向高低頻擴(kuò)展，但是也要考慮實(shí)際工藝的問題，更寬頻段的探頭特性還需要進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)及驗(yàn)證。