一種寬帶圓極化饋源單元的研制

范 宇，龐亞萍

(1. 中國電子科技集團第三十八研究所，合肥 230088；2. 中國船舶重工集團公司第七二四研究所，南京 211153)

一種寬帶圓極化饋源單元的研制

范 宇1，龐亞萍2

(1. 中國電子科技集團第三十八研究所，合肥 230088；2. 中國船舶重工集團公司第七二四研究所，南京 211153)

采用圓錐等角螺旋天線形式，研制了一種寬帶圓極化饋源單元，測試了駐波、互耦、方向圖、軸比、增益、相位中心。結果表明，在S波段60%帶寬內，駐波小于1.78，軸比小于3 dB，增益可達9～10，帶內相心穩定，可相掃30°，其重量僅為50 g。該天線是理想的可相掃寬帶輕型圓極化饋源單元。

寬帶；圓極化；圓錐等角螺旋天線；饋源單元

0 引 言

某電子系統反射面天線需要可相掃的寬帶輕型圓極化天線作為饋源線陣中的單元。該饋源單元需要滿足如下指標：

(1) 工作頻率范圍：S波段相對帶寬60%；

(2) 圓極化且帶內軸比小于4 dB；

(3) 單元駐波：帶內≤1.8；

(4) 帶內半張角58°邊緣電平∈[-25 dB，-13 dB]；

(5) 帶內相心穩定，單元組陣后可以相掃30°。

能夠工作于寬帶的天線通常有以下幾種：(1)圓柱螺旋天線，(2)平面等角螺旋天線和平面阿基米德螺旋天線，(3)對數周期天線，(4)脊喇叭天線，(5)圓錐喇叭、波紋喇叭，(6)圓錐等角螺旋天線。圓柱螺旋天線可以組陣，工作于圓極化，但帶寬滿足不了要求。平面等角螺旋天線和平面阿基米德螺旋天線因為尺寸太大而無法組陣，也不能實現相掃,同時波束太寬，也不能用作饋源。另外，因為它們的雙向輻射，需要很復雜的結構甚至降低3 dB效率才能實現單向輻射，這在本系統中是不允許的。對數周期天線是線極化工作，不滿足圓極化要求，同時其不同頻率的相位中心不同，用作反射面饋源會使得偏焦嚴重。脊喇叭天線不滿足圓極化要求，同時重量太重。圓錐喇叭尺寸太大、重量過重，無法組陣，不能相掃。所有資料顯示，只有圓錐等角螺旋天線有可能滿足本系統的需要[1-3]。

1 設計過程

圓錐等角螺旋天線屬于非頻變天線。本設計的圓錐等角螺旋天線主要組成部分是：金屬微帶螺旋臂、介質支撐、中心饋電巴侖和頂端饋電過渡。

圖1 圓錐等角螺旋天線參數圖

1.1 金屬螺旋臂的設計

如圖1，設曲線上一點對應的從圓錐頂點發出的沿錐面的矢徑為ρ，D為圓錐下底直徑，d為圓錐上底直徑，θ0為圓錐半錐角，α為螺旋角，δ為角寬度，則有關系式[2-5]：

ρ=ρ0eφsinθ0/tanα

ρ=ρ0e(φ-δ)sinθ0/tanα

平衡饋電的圓錐等角螺旋天線是由對稱的兩條螺旋臂構成，它們的邊緣分別是[2-5]：

ρ1=ρ0e(1/tgα)sinθ0φ，ρ2=ρ0e(1/tgα)sinθ0(φ-δ)

ρ3=ρ0e(1/tgα)sinθ0(φ-π)，ρ4=ρ0e(1/tgα)sinθ0(φ-π-δ)

設計取δ=90°構成自補對稱結構的天線，以獲得較小的背瓣。參考文獻[2,4]指出減小2θ0和增大α均可使波束變窄，并給出了增益和波束寬度曲線。當天線頂端饋電后，根據近場幅度的分布，全錐大致分成3個區域：當圓錐的半徑和波長之比很小時，稱為傳輸區；當該比值很大時，稱為終端未激勵區；介于這兩者間的區域稱為有效輻射區。去掉高頻端電流下降3 dB和低頻端電流下降15 dB的圓錐部分，對天線的性能沒有多大的影響。參考文獻[2,4]給出了下底直徑D和上底直徑d的參考數據。

1.2 寬帶巴侖的設計

因為這種天線是一種對稱結構，在錐頂需要采用平衡饋電。在錐頂饋電時，這種天線是沿著錐頂方向輻射的[2-5]。設計的寬帶巴侖中，50 Ω的同軸線與50 Ω的微帶線相連，微帶線再通過一段指數變換實現兩個功能：(1) 將非平衡結構的微帶線變換成平衡結構的平行雙線，(2)將特征阻抗為50 Ω的傳輸線變換成特征阻抗為165 Ω的傳輸線。通過仿真和試驗驗證，該天線的輻射阻抗接近165 Ω。對于天線而言，巴侖的外形大小需要選擇合適，既保證巴侖有一定的強度又要使得巴侖在天線內部的安裝孔不能太大，以保證天線的結構強度。巴侖駐波仿真結果：在頻帶0.34～10 GHz內，駐波≤1.3，達29個倍頻程。

圖2 寬帶巴侖模型

1.3 頂端饋電過渡設計

中心饋電巴侖和螺旋線的雙臂之間連接要盡量平穩﹑少突變，同時還需要較高的可靠性。在研制設計過程中，軸比不好是一大難點。筆者在頂端饋電過渡部分尋求改善軸比的辦法，曾分別選用3種過渡結構做實驗：(a)扇形過渡饋電結構，(b)半球形螺旋饋電過渡結構，(c)平面螺旋饋電過渡結構。經過試驗，發現半球形螺旋饋電過渡和平面螺旋饋電過渡對天線軸比沒有明顯的改善。最終采用扇形饋電過渡結構。扇形饋電過渡結構微帶線的兩個外末端邊緣與圓錐等角螺旋天線的兩個臂焊接；中心有一個2 mm×4 mm的非金屬化矩形孔，用于與微帶balun的上面尖端相連接。

1.4 支撐的設計

筆者曾經試著分別采用環氧玻璃、聚四氟乙烯和泡沫作支撐材料。實驗證明，全環氧玻璃或聚四氟乙烯支撐使得軸比變差，波束變寬，只有支撐主體是泡沫才能滿足電性能要求，但全泡沫支撐不牢靠，可靠性差。綜上考慮設計出了一種以環氧玻璃布為過渡的泡沫支撐結構，支撐使用大部分泡沫結合部分環氧玻璃棒。支撐的主體為泡沫利于減輕重量，插入到下端少量的環氧玻璃棒里面。環氧玻璃棒有利于固定，可靠性較高。在底部再使用一環氧玻璃薄板固定SMA接頭，進一步提高系統的可靠性。

1.5 天線仿真和制作

因為本天線屬于電大模型，采用FEKO進行仿真優化結構尺寸。為了縮小計算量，以細線模擬微帶金屬雙臂進行仿真，模型示意如圖3。

圖3 細線模擬雙臂的模型

因為計算量太大難以準確考慮介質支撐的情況，進而導致仿真結果與實際結果有差異。當天線參數為α=80°、θ0=3.5°、D=40 mm 、d=8 mm時的方向圖和軸比仿真結果如圖4、圖5所示，其中軸比是短軸比長軸的數值，取分貝值。

圖4 天線方向圖

圖5 天線軸比

考慮到完全準確仿真天線很困難，通過較多的試驗，最終設計出了滿足可相掃寬帶輕型圓極化饋源單元各項指標要求的天線。天線尺寸為：δ=90°，α=80°，θ0=3.5°，D=44.4 mm，d=12.4 mm，實物照片如圖6所示，重量只有50 g。

圖6 圓錐等角螺旋天線實物

2 天線電訊性能測試結果

2.1 駐波測試結果

天線駐波測試結果見圖7。在f0-1.2 GHz到f0+1.2 GHz頻率范圍內，該天線駐波小于1.78；由天線單元組陣中相鄰兩個單元S21曲線(互耦曲線)在工作頻帶內小于-30 dB。可見互耦很小，所以由該天線單元組陣后單元方向圖和軸比不會有太大的惡化。

2.2 天線方向圖測試

天線方向圖的測試頻點取為：在S波段中心頻點f0-1.2 GHz到f0+1.2 GHz每隔0.2 GHz測一點，極化形式為圓極化。其中具代表性的3個頻點的方向圖和軸比測試結果見圖8(a)～(c)。圖中，“cp”表示原始數據，“pingjun”表示擬合曲線，“ar”表示軸比值，這里定義軸比是橢圓極化的短軸比長軸。

圖7 天線駐波和互耦測試結果

由圖8可見，天線副瓣很低，法向軸比小。天線法向軸比在f0-1.2 GHz到f0+1.2 GHz內小于3 dB，并且天線軸比在法向附近較寬的角域內都比較小。天線主瓣寬度在寬頻段內的一致性很好。

(a) 天線f0-1.2 GHz頻點方向圖

(b) 天線f0頻點方向圖

(c) 天線f0+1.2 GHz頻點方向圖

表1 半張角為58°的邊緣電平和-3 dB覆蓋角度

從表1可以看出，天線的-3 dB覆蓋在法向左右都大于15°，可見天線滿足掃描30°的要求；帶內半張角58°邊緣電平∈[-25 dB，-13 dB]，故天線在本系統中作饋源可以滿足系統的要求。

2.3 相位中心的測試

因為天線是圓極化工作，分別測試了水平極化和垂直極化的情況。圖9是垂直極化的相位方向圖測試結果。由圖9可見，每個頻點相位曲線在波束主瓣內幾乎都平穩，各個頻率在±40°范圍內相位差<30°。可以認為天線在各個頻點的相位中心近似一致。同樣，對于測試的水平極化的相位方向圖也有類似的結論。相位曲線有一定的起伏和不平，分析有以下幾個方面的原因：(1)現有測試條件難以精確地將天線的相位中心和轉臺旋轉中心完全重合；(2)天線本身加工公差等因素使相位曲線在主瓣內不是絕對平直線；(3)圓極化天線軸比不為0 dB并且在不同角度軸比不同,則其垂直極化和水平極化相位曲線在主瓣內會有起伏；(4)天線在不同頻率的理論相位中心有較小的位置差。

圖9 垂直極化相位曲線

2.4 增益測試

在微波暗室采用雙天線法測試增益，結果如表2所示。可見,在該寬頻帶內天線增益較高。

表2 天線的增益測試結果

3 結束語

通過比較多種天線方案，確定采用雙臂圓錐等角螺旋天線形式，通過反復多次試驗和仿真相結合的辦法研制出滿足要求的饋源天線單元。經過測試表明，該天線駐波小、副瓣低、軸比小；天線主瓣寬度在寬頻段內的一致性很好；帶內相位中心穩定，滿足饋電半張角為58°時邊緣電平-15 dB左右, 主波瓣 -3 dB覆蓋大于30°，重量僅50 g，可見該天線是理想的可相掃寬帶輕型圓極化饋源。

[1] JENNINGS W E, CLARK A R. An Investigation into the Properties and Limits of Quasi-Taper Helical Atennas[J]. IEEE Antennas and Propagation Society Symposium, 2004: 2903-2906 .

[2] 林昌祿. 天線工程手冊[M].北京：電子工業出版社, 2002(6).

[3] 約翰·克勞斯.天線[M]. 章文勛譯.北京：電子工業出版社, 2004(4).

[4] JOHN D DYSON. The Characteristics and Design of the Conical Log-Spiral Antenna[J]. IEEE TRANSACTIONS ON ANTENNAS AND PROPAGATION, 1965(7): 488-499.

[5] Thorsten W Hertel, Glenn S Smith. Analysis and Design of Two-Arm Conical Spiral Antennas[J]. IEEE TRANSACTIONS ON ELECTROMAGNETIC COMPATIBILITY, 2002,44(1):25-37.

Development of a broadband circular polarization feed unit

FAN Yu, PANG Ya-ping

(1. No.38 Research Institute of CETC, Hefei 230088; 2. No.724 Research Institute of CSIC, Nanjing 211153)

A broadband circular polarization feed unit is developed in the form of conical equiangular spiral antenna, and the VSWR, mutual coupling, pattern, axial ratio, gain, and phase center are tested respectively. The results show that the VSWR is less than 1.78, the axial ratio is less than 3 dB, the gain is approximately between 9 and 10, the phase center is stable, the phase scanning is 30°, and the weight is only 50 g within the bandwidth of 60% at S band. The antenna is a ideal lightweight broadband circular polarization feed unit with phase scanning.

broadband; circular polarization; conical equiangular spiral antenna; feed unit

2014-06-04

范宇(1975-)，男，高級工程師，碩士，研究方向：天饋線設計；龐亞萍(1972-)，女，工程師，研究方向：仿真技術。

TN822

A

1009-0401(2014)03-0030-05