一種寬帶穩定寬波束天線

張曉沖，涂海洋，馬劍南，李 勇*，劉廷龍

(1.中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081；2.中華通信系統有限責任公司河北分公司，河北 石家莊 050081；3.空裝駐石家莊地區軍事代表室，河北 石家莊050081；4.燕山大學 信息科學與工程學院，河北 秦皇島 066004)

0 引言

在衛星定位、雷達探測、電子對抗和彈載測控等無線電通信系統中,為了確保信號傳輸質量和傳輸速率,快速捕捉到微弱的信號,一般要求天線具有較寬的波束寬度,并能保持一定的低仰角增益,同時還需要在工作頻段內保持波束寬度的穩定性。因此針對具有波束穩定性的寬帶寬波束天線的研究具有廣闊的應用背景。

工程中常見的寬波束天線結構形式有雙臂螺旋天線[1]、四臂螺旋天線[2-5]、微帶天線[6-9]和振子天線[10-12]等,但存在著工作帶寬窄、單極化方式、波束寬度窄或低仰角增益較低等缺點。另外由于天線的匹配帶寬和軸比帶寬不重合,天線的實際工作帶寬往往不能滿足應用需要。寬頻帶天線的電尺寸在倍頻程內變化較大,所以其輻射方向圖在整個帶寬內畸變得情況比較嚴重,很難在寬頻帶內使方向圖波束保持穩定。

為了拓寬天線的帶寬和波束寬度,提高低仰角增益,以適應某些通信系統的需求。國內外學者提出了多種方法,文獻[9]通過在微帶天線的四周加載柱狀單極子來拓寬波束寬度,但工作帶寬太窄,僅100 MHz。文獻[13]通過在天線上面和下面加載寄生環結構來拓寬半功率波束寬度和改善軸比,但工作帶寬窄的問題仍未解決。文獻[14]通過優化兩對折疊偶極子的結構,使得天線的波束寬度有了一定的拓寬,但其仍然是工作在1.6 GHz附近的窄頻帶天線。文獻[15]提出了一種新型的天線結構形式,由地板上方的蝴蝶結型偶極子天線單元和金屬橋進行組成,實現了天線波束的拓寬,其相對帶寬為11.5%,相對于寬帶天線來講,帶寬還是較窄。文獻[16]通過在平面偶極子天線的四周添加寄生單元結構,在一定程度上拓寬了E面和H面的波束寬度。文獻[17]通過在彎折天線臂上加載寄生金屬板結構,實現了較寬的E面半功率波束寬度,并對天線臂進行了切割來改善波束的穩定性,最終設計出寬帶寬波束天線,具有較強的實用價值。

偶極子背腔式天線,也常被稱為腔振子天線,它主要由輻射振子、反射腔體及其饋電部分組成,由于背腔式反射器的作用,很容易實現單向輻射,它可以用單偶極子饋電實現單線極化工作,也可以十字偶極子饋電實現圓極化或雙線極化工作。本文主要針對遙測遙控領域寬頻帶寬波束覆蓋的技術需求,以工程應用為背景,通過在輻射片下折腔振子的基礎上,采用在天線口面橫向加載雙扼流環結構、縱向加載匹配盤組結構以及在金屬反射腔內添加金屬隔離柱結構,有效改善了天線的帶寬和軸比性能,改善了方向圖特性,實現了2∶1帶寬內寬波束低仰角覆蓋,解決了傳統天線在寬頻帶內低仰角增益較低、性能指標受限的技術問題。

1 天線描述和結構設計

本文所述寬帶穩定寬波束天線如圖1所示,包括寬帶十字交叉的腔振子天線、雙扼流環、寬帶圓極化電橋和4個金屬隔離柱等結構。

寬帶十字交叉的腔振子天線的剖面結構如圖2所示,它是由4個一段蝶形和一段矩形組成的輻射振子片,輻射振子片厚度1 mm,2對輻射振子片呈“十字”交叉對稱放置,輻射振子片末端向下90°彎折一小段,與4個空心的金屬支撐柱形成一個整體,由2根同軸線纜穿過相鄰的2個空心金屬支撐柱,2根同軸線纜的金屬外皮和內芯分別與2對輻射振子片焊接,直接饋電,相位相差90°。低頻匹配盤和高頻匹配盤均呈圓形,厚度0.8 mm,位于輻射振子片正上方,用于調節天線匹配。低頻匹配盤尺寸和高度均大于高頻匹配盤,低頻匹配盤用于調節低頻段駐波,高頻匹配盤用于調節高頻段駐波,這對匹配盤尺寸大小和距離輻射振子片的高度與寬頻帶穩定寬波束腔振子天線裝置的阻抗和駐波相關,可通過參數優化來調整。金屬隔離柱下端連接金屬反射腔體底部,且4個金屬隔離柱以輻射振子片為中心,均勻分布。金屬反射腔體底部安裝有寬帶圓極化電橋器件,很容易實現雙圓極化。

圖1 天線整體結構Fig.1 Overall structure of antenna

圖2 寬帶十字交叉的腔振子天線的剖面結構Fig.2 Sectional structure of broadband cross cavity dipole antenna

扼流環內環和扼流環外環幾何大小成一定的比例,結構如圖3所示。雙扼流環由扼流環內環和扼流環外環構成,雙扼流環被5 mm的帶線呈“米”字型等分為8塊,雙扼流環置于印制板的上表面,印制板采用1 mm厚Neltec NY9220(IM)材料,介電常數2.2,單面板,呈環狀,印制板與輻射振子片大致處于同一水平面,印制板外徑及扼流環外環的外徑與金屬反射腔體的圓柱腔體外徑相同,印制板內徑及扼流環內環內徑相同,且略大于輻射振子片最大外徑。

圖3 雙扼流環的結構Fig.3 Structure of double-choke-ring

2 天線整體設計及天線樣機

天線仿真模型如圖4所示,圖中黃色部分均為金屬,灰色部分為印制板,白色部分為介質支撐柱。天線整體尺寸為φ×0.53λ0×0.23λ0(φ為天線的直徑,λ0為最低頻率在自由空間中的波長),金屬腔體高度為20 mm,直徑為115 mm,輻射片振子距離底板的高度為44.5 mm,寬度為28 mm,2對輻射片振子中每個輻射片長度為38 mm。低頻匹配直徑為19 mm,距離輻射振子片的高度為7.8 mm,高頻匹配直徑為8.9 mm,距離輻射振子片的高度為1.5 mm,金屬隔離柱高度為35.6 mm,雙扼流環印制板距離底板的高度為44.5 mm,最大外環直徑為115 mm,最小內環直徑為78 mm。雙扼流環的外環尺寸與內環尺寸比值為4∶3。

圖4 天線仿真模型Fig.4 Simulation model of antenna

3 測試結果與分析

3.1 天線樣機加工及組裝

根據仿真計算的設計結果,加工制作了天線樣機,其中雙扼流環PCB板實物如圖5所示,輻射片下折的振子天線如圖6所示,寬帶穩定寬波束天線樣機實物如圖7所示。

圖5 雙扼流環PCB板Fig.5 PCB of double-choke-ring

圖6 振子天線照片Fig.6 Photograph of proposed dipole antenna

圖7 天線樣機Fig.7 Photograph of proposed antenna

天線樣機的組裝步驟如下:首先,將加工完成的金屬隔離柱及尼龍介質支撐柱通過金屬反射腔底部的螺紋孔固定在金屬反射腔中;其次,將高頻和低頻圓形匹配盤組通過尼龍介質柱、尼龍介質片和尼龍介質螺母固定在輻射片下折的振子上表面,形成一個寬帶振子天線;然后將這個寬帶振子天線通過螺紋孔固定在金屬反射腔中;最后,將雙扼流環PCB板裝在尼龍介質支撐柱上,并通過尼龍介質螺母固定,將圓極化電橋通過螺紋孔安裝在金屬反射腔底部下表面,并將饋線連接好。通過以上步驟,最終完成此寬帶穩定寬波束天線的整體裝配。

3.2 結果分析

在天線樣機整體裝配完成后,采用Agilent E5071C矢量網絡分析儀和天線自動測試系統在室外對天線樣機的電性能(電壓駐波比(Voltage Standing Wave Ratio,VSWR)、增益方向圖等特性)進行了實際測試。

實測和仿真VSWR曲線對比如圖8所示。

圖8 仿真和實測VSWR曲線Fig.8 Simulated and measured VSWR curves of proposed antenna

由圖8可知,實測結果和仿真結果基本吻合。在1.25～2.5 GHz頻帶內天線樣機的VSWR在2.0以下,天線在工作帶寬內具有良好的阻抗匹配特性。可通過優化改變縱向加載匹配盤組結構(低頻匹配盤、高頻匹配盤)的尺寸參數和距離輻射片振子的高度參數來調節天線的阻抗和VSWR。

天線增益的仿真和實測曲線如圖9所示。由圖9可知,在1.25～2.2 GHz頻帶內增益均比較高,僅在1.9 GHz附近出現了1個凹點,2.2～2.5 GHz頻帶內增益呈下降趨勢,在2.5 GHz時達到增益最小值2.79 dB。

圖9 天線增益的仿真和實測曲線Fig.9 Simulated and measured gain of proposed antenna

本文在天線口面橫向加載雙扼流環結構和金屬反射腔內添加金屬隔離柱結構是用于展寬波束寬度和調節軸比,以及改善天線方向圖,可通過改變雙扼流環的尺寸參數及金屬隔離柱的位置和高度參數來優化調整。參見圖10和表1,可見該天線在1.25～2.5 GHz整個帶寬內增益大于0 dBi的波束寬度在132°～178°,方向圖在帶內基本保持穩定。

圖10 天線方向圖隨不同頻點變化的對比圖Fig.10 Radiation patterns at several frequency points

表1 方向圖增益大于0 dB的波束寬度記錄

在本文中,天線的方向圖測試采用場地遠場法,天線增益測試選擇方向圖積分法。選取1.25、1.6、1.9、2.1、2.3、2.5 GHz六個頻點進行了測試,并對仿真計算和實際測試得到的歸一化方向圖進行了對比,如圖11～圖16所示。

圖12 1.6 GHz仿真和實測方向圖Fig.12 Simulated and measured radiation patterns of proposed antenna at 1.6 GHz

圖14 2.1 GHz仿真和實測方向圖Fig.14 Simulated and measured radiation patterns of proposed antenna at 2.1 GHz

圖15 2.3 GHz仿真和實測方向圖Fig.15 Simulated and measured radiation patterns of proposed antenna at 2.3 GHz

圖16 2.5 GHz仿真和實測方向圖Fig.16 Simulated and measured radiation patterns of proposed antenna at 2.5 GHz

從圖11～圖16可知,天線輻射方向圖實測結果在±66°波束范圍內與仿真計算結果基本吻合,±66°波束范圍內的方向圖變化趨勢保持一致,從而使天線實現了寬波束覆蓋。天線方向圖測試結果在±66°波束范圍外與仿真結果略有差別,原因是在實際測試壞境中影響因素比理想仿真計算條件下更為復雜,尤其是地面及天線周邊的環境對天線在±66°波束范圍外的方向圖影響還是很大的,不可避免地會引入測試誤差,尤其是對這種寬頻帶寬波束天線。

4 結論

本文設計并制作了一款寬帶穩定寬波束天線,通過在輻射片下折腔振子基礎上,采用在天線口面橫向加載雙扼流環結構、縱向加載匹配盤組結構以及在金屬反射腔內添加金屬隔離柱結構,使得該天線的工作頻帶為1.25～2.5 GHz,在整個帶寬內,方向圖基本保持穩定,且增益大于0 dBi的波束寬度不小于132°。實際測試結果表明,其性能指標符合設計預期,并與仿真分析結果相互印證。天線性能指標保證了天線在低仰角也能夠穩定接收信號。該天線結構緊湊、尺寸小、性能良好,涉及的相關技術還可應用于其他頻段線極化及圓極化天線設計中。該天線適用于地面便攜站、艦載和車載等多種平臺,既可作為天線單獨使用,又可作為天線陣列的單元使用,還可以作為反射面天線饋源使用,具有非常廣闊的應用前景。