小型化高頻地波雷達(dá)雙頻天線(xiàn)設(shè)計(jì)

劉 元,陳章友,吳雄斌

(武漢大學(xué)電子信息學(xué)院,湖北 武漢 430072)

0 引言

高頻地波雷達(dá)監(jiān)測(cè)是一種頗具潛力的海洋監(jiān)測(cè)方式[1]。通常,八木天線(xiàn)[2]、單鞭天線(xiàn)[3]甚至對(duì)數(shù)周期天線(xiàn)[4-5]都能安裝在高頻地波雷達(dá)上作為發(fā)射天線(xiàn)使用。天線(xiàn)工作的頻率范圍為短波段(3～30 MHz),相應(yīng)的天線(xiàn)高度較高,海邊多風(fēng),地形起伏大。這使得天線(xiàn)及地網(wǎng)架設(shè)變得不易。為了讓高頻地波雷達(dá)能全方位地對(duì)海洋環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測(cè),使搭建雷達(dá)更經(jīng)濟(jì)、簡(jiǎn)易,將天線(xiàn)電小化[6-7]以及不使用地網(wǎng)是十分迫切的任務(wù)。電小化是指通過(guò)小型化手段使天線(xiàn)的尺寸(即最大的物理長(zhǎng)度)與波長(zhǎng)的比值小于0.1。雙頻輻射功能不僅能使高頻地波雷達(dá)探測(cè)落在海浪譜中的目標(biāo)[8],而且可以測(cè)量不同深度的海洋表層流。因此,雙頻天線(xiàn)可以豐富高頻地波雷達(dá)的探測(cè)功能。

本文采用雙層阿基米德螺旋加載的雙四棱錐,滿(mǎn)足高頻地波雷達(dá)對(duì)天線(xiàn)的上述要求。阿基米德螺旋線(xiàn)加載大大降低天線(xiàn)的高度,實(shí)現(xiàn)了天線(xiàn)的小型化;采用雙層加載以實(shí)現(xiàn)天線(xiàn)的雙頻輻射功能;采用雙四棱錐消除對(duì)地網(wǎng)的依賴(lài)。最后,利用CST 軟件仿真和天線(xiàn)縮比模型測(cè)量,證明了所設(shè)計(jì)天線(xiàn)的可行性。

1 偶極四棱天線(xiàn)設(shè)計(jì)

20 世紀(jì)90 年代末,A.G.P.Boswell 設(shè)計(jì)了一種適用于高頻地波雷達(dá)的雙四面體發(fā)射天線(xiàn)[9]。該天線(xiàn)高度相對(duì)于最低諧振點(diǎn)波長(zhǎng)為,具有不加地網(wǎng)的特性[10]。如果將該天線(xiàn)改造進(jìn)一步電小化及實(shí)現(xiàn)雙頻輻射,將使高頻地波雷達(dá)具有更好的機(jī)動(dòng)性和更強(qiáng)的探測(cè)性能。

本文所設(shè)計(jì)的天線(xiàn)體采用四棱錐結(jié)構(gòu),并對(duì)該偶極四棱錐進(jìn)行雙層阿基米德線(xiàn)圈加載[11]。加載的部位分別為天線(xiàn)四棱的頂部和接近中部的地方。

雙層阿基米德線(xiàn)圈加載的雙四棱錐天線(xiàn)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 雙四棱錐天線(xiàn)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Double pyramid antenna structure

圖1 中:D2為高頻線(xiàn)圈(內(nèi)層小線(xiàn)圈)的直徑,D2=4 m;D1為低頻線(xiàn)圈(外層大線(xiàn)圈)的直徑,D1=6 m;H1為外層大螺旋線(xiàn)圈距離饋電點(diǎn)的垂直高度,H1=3 m;H2為大小螺旋線(xiàn)圈之間的垂直距離,H2=1 m。圖1 中的天線(xiàn)有8 根金屬桿。每根金屬桿長(zhǎng)度為4.24 m,與水平或垂直方向的夾角均為45°。其中:金屬桿與螺旋線(xiàn)圈的半徑均為0.03 m;螺旋線(xiàn)圈旋轉(zhuǎn)的圈數(shù)為1.75 圈;天線(xiàn)上下兩部分關(guān)于饋電點(diǎn)鏡像對(duì)稱(chēng)。H為天線(xiàn)的高度,H=6 m;H3為天線(xiàn)離開(kāi)地面的高度,H3=0.25 m。天線(xiàn)離開(kāi)地面用基座支撐。頂層螺旋線(xiàn)圈由4 個(gè)阿基米德螺旋曲線(xiàn)旋轉(zhuǎn)構(gòu)成,可以看作由1 根阿基米德螺旋曲線(xiàn)繞螺旋中心分別旋轉(zhuǎn)0°、90°、180°、270°組成。四根螺旋的起點(diǎn)連接在螺旋中心,終點(diǎn)分別與四條棱的頂點(diǎn)相連。將低頻線(xiàn)圈DPX(外層大線(xiàn)圈)關(guān)于饋電中心進(jìn)行縮比因子為的放縮建模,得到高頻線(xiàn)圈(內(nèi)層小線(xiàn)圈)。天線(xiàn)外層的2個(gè)大線(xiàn)圈(低頻線(xiàn)圈)用于實(shí)現(xiàn)低頻工作模式,內(nèi)層的2 個(gè)小線(xiàn)圈(高頻線(xiàn)圈)用于實(shí)現(xiàn)高頻工作模式。該設(shè)計(jì)能滿(mǎn)足天線(xiàn)工作在雙頻的特性,實(shí)現(xiàn)了天線(xiàn)的雙頻功能。

圖1 中的阿基米德螺旋曲線(xiàn)結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 阿基米德螺旋曲線(xiàn)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Archimedes spiral curve structure

由于阿基米德線(xiàn)圈加載,使線(xiàn)圈上分布大量電荷且電流不易衰減,改變了天線(xiàn)電流分布,延長(zhǎng)了電流的有效回路,增加了天線(xiàn)有效高度[12]。天線(xiàn)諧振點(diǎn)右移,使天線(xiàn)高度不足。由此可見(jiàn),天線(xiàn)變成了電小天線(xiàn),完成了小型化任務(wù)。低頻諧振點(diǎn)是由外層2 個(gè)大線(xiàn)圈(低頻線(xiàn)圈)決定的,可以通過(guò)調(diào)節(jié)大線(xiàn)圈(低頻線(xiàn)圈)長(zhǎng)度或者曲線(xiàn)參數(shù)方程的方式調(diào)節(jié)低頻諧振點(diǎn)的位置。比如線(xiàn)圈越長(zhǎng),低頻諧振點(diǎn)越低;反之,則低頻諧振點(diǎn)越高。高頻諧振點(diǎn)是由內(nèi)層2 個(gè)小線(xiàn)圈(高頻線(xiàn)圈)決定的,可以通過(guò)調(diào)節(jié)內(nèi)層2 個(gè)小線(xiàn)圈(高頻線(xiàn)圈)的位置(即縮比因子)調(diào)節(jié)高頻諧振點(diǎn)的大小。因此,高低頻諧振點(diǎn)靈活可調(diào),增大了該天線(xiàn)的應(yīng)用范圍。

該天線(xiàn)采用四棱錐模型使天線(xiàn)的有效體積變大,能加快諧振點(diǎn)右移。此偶極四棱天線(xiàn)進(jìn)行了阿基米德螺旋線(xiàn)圈加載,天線(xiàn)的電尺寸為0.085λ。A.G.P.Boswell 設(shè)計(jì)的偶極四面體天線(xiàn)電尺寸為,兩者相比可見(jiàn)本文中的天線(xiàn)電尺寸更小、高度更低,實(shí)現(xiàn)了天線(xiàn)電小化。在同等天線(xiàn)高度情況下,該設(shè)計(jì)能夠節(jié)約材料,有利于高頻地波雷達(dá)的小型化。本文中的天線(xiàn)采用了雙層阿基米德螺旋線(xiàn)圈加載,使天線(xiàn)具有雙頻特性,有助于高頻地波雷達(dá)區(qū)別目標(biāo)和海雜波。相較于A.G.P.Boswell 設(shè)計(jì)的偶極四面體天線(xiàn),本文天線(xiàn)的高低頻諧振點(diǎn)是可以控制的,能夠根據(jù)需要使天線(xiàn)靈活地工作在不同的工作頻點(diǎn)。

2 仿真與實(shí)測(cè)結(jié)果分析

本文借助CST 軟件,對(duì)阿基米德線(xiàn)圈加載天線(xiàn)進(jìn)行仿真。

表1 為阿基米德線(xiàn)圈加載天線(xiàn)參數(shù)。

表1 阿基米德線(xiàn)圈加載天線(xiàn)參數(shù)Tab.1 Archimedes coil loads antenna parameters

阿基米德線(xiàn)圈加載天線(xiàn)反射損耗仿真曲線(xiàn)如圖3所示。

圖3 阿基米德線(xiàn)圈加載天線(xiàn)反射損耗仿真曲線(xiàn)Fig.3 Archimedes coil loading antenna reflection loss simulation curve

從圖3 可能看出,前3 個(gè)諧振點(diǎn)的反射損耗在-5 dB 左右。這是因?yàn)樵撎炀€(xiàn)是電小天線(xiàn),輸入電阻太小,無(wú)法與50 Ω 的同軸線(xiàn)進(jìn)行匹配,導(dǎo)致天線(xiàn)的能量不能有效地輻射出去。若加載1 個(gè)匹配網(wǎng)絡(luò)可以解決此問(wèn)題,從而改善天線(xiàn)的工作特性。

圖3 中,在10 MHz 范圍內(nèi)天線(xiàn)共有5 個(gè)諧振點(diǎn),可見(jiàn)阿基米德螺旋曲線(xiàn)加載后天線(xiàn)的諧振點(diǎn)頻率降低了,使更多的諧振點(diǎn)出現(xiàn)在10 MHz 以?xún)?nèi)。5 個(gè)諧振點(diǎn)的頻率分別為4.2 MHz、5.5 MHz、7 MHz、7.5 MHz 和9.3 MHz。反射損耗大小分別為-5 dB、-6 dB、-5 dB、-16 dB 和-15.9 dB。f=4.2 MHz 是阿基米德線(xiàn)圈加載天線(xiàn)外層2 個(gè)大螺旋線(xiàn)圈(低頻線(xiàn)圈DPX)工作模式的基次模頻率,它是低頻諧振點(diǎn)。f=7 MHz 是阿基米德線(xiàn)圈加載天線(xiàn)內(nèi)層2 個(gè)小螺旋線(xiàn)圈(高頻線(xiàn)圈GPX)工作模式的基次模頻率,對(duì)應(yīng)高頻諧振點(diǎn)。

天線(xiàn)尺寸與基次模頻點(diǎn)處的工作波長(zhǎng)的關(guān)系為:

式中:L為天線(xiàn)尺寸;λ為天線(xiàn)的工作波長(zhǎng)。

再由c=λf,可得天線(xiàn)的工作頻率為:

式中:c為光速;L為天線(xiàn)尺寸;f為頻率。

在阿基米德曲線(xiàn)加載天線(xiàn)中,天線(xiàn)的有效長(zhǎng)度為傾斜的柱體高度再加上1 根阿基米德曲線(xiàn)的長(zhǎng)度的和的兩倍。所以L(fǎng)=(3+14.4)×2=34.8 m。

天線(xiàn)在高頻諧振點(diǎn)f=7 MHz(內(nèi)層兩個(gè)小螺旋線(xiàn)圈諧振頻點(diǎn))處的表面電流圖如圖4 所示。

圖4 表面電流圖Fig.4 Surface current diagram

由于低頻諧振點(diǎn)f=4.2 MHz 處的表面電流圖分布原理與高頻諧振點(diǎn)f=7 MHz 處的相同,這里不一一展示。

從圖4 可以看出,此時(shí)阿基米德線(xiàn)圈加載已改變了天線(xiàn)表面的電流分布。在高頻諧振點(diǎn)f=7 MHz 時(shí),天線(xiàn)上的電流主要分布在內(nèi)層的2 個(gè)螺旋線(xiàn)圈(高頻線(xiàn)圈GPX)上。此時(shí),內(nèi)層2 個(gè)小螺旋線(xiàn)圈處于諧振狀態(tài);線(xiàn)圈上有最大的輻射電流。金屬柱體上也有電流分布,但占比較小。

天線(xiàn)在高頻諧振點(diǎn)f=7 MHz 處的三維遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖如圖5 所示。

圖5 三維遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖Fig.5 Three-dimensional far-field pattern

低頻諧振點(diǎn)f=4.2 MHz 處的三維遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖與高頻諧振點(diǎn)f=7 MHz 處的三維遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖相似,這里不作展示。

從圖5 可以看出,在xOy面上,天線(xiàn)的輻射強(qiáng)度在3.75 dB 左右,天線(xiàn)的方向圖呈圓形,說(shuō)明天線(xiàn)有很好的水平全向性。在yOz面上,隨著仰角的逐漸增加,天線(xiàn)的輻射強(qiáng)度逐漸減弱,天線(xiàn)的最強(qiáng)輻射方向出現(xiàn)在水平方向。

該短波天線(xiàn)的電尺寸是0.085 λ。當(dāng)天線(xiàn)工作在低頻諧振點(diǎn)f=4.2 MHz 時(shí),天線(xiàn)對(duì)應(yīng)的高度高于6 m,不易于加工天線(xiàn)成品,測(cè)量也有諸多不便。這里使用縮比模型來(lái)證明天線(xiàn)的有效性。實(shí)際加工的縮比模型如圖6 所示。

天線(xiàn)高度為20 cm?？s比模型的反射損耗仿真曲線(xiàn)如圖7 所示。

圖7 縮比模型的反射損耗仿真曲線(xiàn)Fig.7 Simulation curve of reflection loss of reduction model

由圖7 可知,縮比模型的反射損耗曲線(xiàn)和實(shí)際天線(xiàn)(實(shí)際天線(xiàn)高6 m)的反射損耗曲線(xiàn)(圖3)變化趨勢(shì)大致相同,從而可以佐證該短波天線(xiàn)的電特性。

從圖7 能看出,在0～300 MHz 范圍內(nèi),該曲線(xiàn)有6 個(gè)諧振點(diǎn),頻率分別為128.7 MHz、162 MHz、188.4 MHz、210.3 MHz、226 MHz、283 MHz。對(duì)應(yīng)的天線(xiàn)反射損耗大小分別為-4.8 dB、-6.1 dB、-5.7 dB、-4.7 dB、-15.3 dB、-15.4 dB。

利用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對(duì)縮比天線(xiàn)的反射損耗進(jìn)行了測(cè)量?？s比模型天線(xiàn)的仿真曲線(xiàn)和實(shí)測(cè)曲線(xiàn)的對(duì)比如圖8 所示。

圖8 仿真曲線(xiàn)與實(shí)測(cè)曲線(xiàn)的對(duì)比Fig.8 Comparison of simulation curve and measured curve

從圖8 能看出,實(shí)測(cè)工作頻點(diǎn)和仿真曲線(xiàn)的工作頻點(diǎn)大概一致,然而反射損耗變化曲線(xiàn)的實(shí)測(cè)結(jié)果和仿真并非完全一致。這大致是因?yàn)閷?shí)際縮比天線(xiàn)所用的銅絲和50 Ω 的同軸線(xiàn)都會(huì)帶來(lái)一定的能量損耗。但實(shí)測(cè)曲線(xiàn)與仿真曲線(xiàn)變化趨勢(shì)基本一致,證實(shí)了天線(xiàn)的有效性。

3 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種適用于高頻地波雷達(dá)的雙四棱錐新型天線(xiàn)。該天線(xiàn)采用阿基米德線(xiàn)圈加載,得到電尺寸僅為0.085 λ 的電小天線(xiàn),且不需要鋪設(shè)地網(wǎng),方便架設(shè)與移動(dòng)。雙層加載使所設(shè)計(jì)的天線(xiàn)可以工作于4.2 MHz 及7 MHz 這2 個(gè)頻率,不僅使雷達(dá)具有對(duì)海洋不同表層流探測(cè)功能,而且增強(qiáng)雷達(dá)對(duì)海上目標(biāo)探測(cè)能力。CST 軟件平臺(tái)仿真結(jié)果及縮模測(cè)量結(jié)果表明了所設(shè)計(jì)天線(xiàn)的可行性。