X波段空中辐射场测量中的天线设计与应用

景 洪， 郝文析， 刘英君， 宗子健， 刘 敏

(西北核技术研究所，陕西 西安 710024)

1 引 言

微波辐射场测量是衡量环境电磁水平的主要方法之一,常规的辐射场测量主要在地面固定平台上进行,并且预知来波信号极化方向,因此通常采用开口喇叭或者振子天线等线极化天线用作接收天线[1,2]。当在远距离高空中开展微波辐射场测量时,由于在视距外和存在高空风等影响因素,空中平台姿态难以固定,接收天线容易发生旋转和摆动,这时如果来波形信号极化方向未知,在这些情况下若采用常规的线极化天线作接收天线,则会造成极化失配，产生较大的测量不确定度。根据天线理论,圆极化天线对任意极化方向的线极化电磁波都可以接收,因此获得了学者的广泛关注。对圆极化天线的研究工作主要集中在设计方法和指标的优化[3～12],针对空中辐射场高精度测量的研究较少。

本文在分析影响空中辐射场测量精度主要因素的基础上,设计了微带低轴比圆极化阵列天线,使天线在9.7 GHz时轴比(axial ratio, AR)降低至约0.1 dB,应用该天线可以将极化失配不确定度减小到0.1 dB以内,并具有较强的环境适应性,适用于X波段空中辐射场精确测量。

2 测量系统与不确定度分析

一个典型的X波段空中辐射场测量系统主要由接收天线、微波电缆、衰减环节、检波器和数据采集系统组成,如图1所示。使用时测量系统放置在空中平台上。

图1 空中辐射场测量系统Fig.1 Airborne radiation field measurement system

空间中电磁波信号经过天线接收后,通过传输衰减环节将信号衰减到检波器可以处理的功率范围(检波输出为直流信号),由数采系统进行采集处理。辐射场功率密度计算公式表示为：

(1)

式中：pd为测点处的辐射场功率密度；Pr为测量系统接收功率；Ae为接收天线有效面积；Pdet为检波器输入功率；A为衰减环节的衰减量。

影响高功率微波(high-power microwre, HPM)空中辐射场测量不确定度的主要因素包括：1) 系统定标精度。包括天线有效面积、衰减环节、检波器等方面的定标精度；2) 极化失配影响。主要包括系统在空中辐射测量时,来波信号极化方向难以确定,且受飞行平台姿态的影响,接收天线指向和极化方向难以精确控制,因此极化失配影响是不确定度主要因素。

如果将所有天线都视为有一定轴比的天线,线极化天线的轴比视为无穷大,这样在天线理论中,可以将收发天线的极化不一致用统一的极化损失系数K来描述[12]：

(2)

式中：r1,r2为收发天线的轴比；φ为收发天线极化椭圆长轴的夹角。对于发射天线为同一极化方向的线极化波,线极化天线与圆极化天线(轴比0～3 dB)作为接收天线时,其极化夹角φ为0°～90°,极化损失系数与天线轴比和极化角的关系如图2所示。

图2 极化损失系数与天线轴比和极化角的关系Fig.2 The relationship between polarization loss coefficient, antenna axial ratio and polarization angle

采用线极化接收天线,当存在45°的极化偏角时,极化失配引入的不确定度约2.1 dB；若存在30°的极化偏角时,极化失配引入的不确定度约0.9 dB。因此,常规的线极化天线难以满足空中辐射场高精度测量的需求。

如果圆极化接收天线轴比接近于1(即0 dB)时,极化损失系数K为固定值,也就是说即使来波信号极化方向在360°范围内偏转,圆极化天线仍然可以获得一致的测量结果。

3 低轴比圆极化天线设计

从第2节分析可知,如果能够设计一个轴比接近于1(即0 dB)的圆极化天线,那么空中微波辐射场测量的精度将得到有效的提高。

单点馈电的圆极化单元天线由于结构简单,已得到广泛的应用,其基本原理是在形状规则的微带天线上改变馈电点位置或者增加简并模分离单元,分离简并正交模谐振频率,让2个模等效阻抗相角分别滞后45°或者超前45°,从而形成圆极化辐射。但由于简并模分离单元的引入，破坏了天线辐射场的均匀性,使得轴比一般大于0.5 dB。

将单元天线进行组阵可以提高圆极化的纯度,阵列天线阵元排列形式、阵元间距、介电常数、介质材料等都会对单元间的互耦造成影响。因此本文采用一种顺序旋转馈电方式来组阵,4个单元天线空间上连续旋转90°,采用等幅移相(连续移相90°)信号给每个单元馈电,圆极化天线结构如图3所示。

图3 圆极化天线结构Fig.3 Structure of circularly polarized antenna

图3所示的天线介质相对介电常数为3.38，厚度Sw为1.524 mm,单元半径r1为4.08 mm,阵列边长l1为40.8 mm,单元间距l2为20.4 mm,天线实物和测试场景如图4所示。

图4 圆极化天线实物图Fig.4 Photo of circularly polarized antenna diagram

天线9.7 GHz时3 dB波束宽度约为45°,如图5所示。天线9.7 GHz时辐射主轴低至0.1 dB,如图6所示。

图5 圆极化天线方向Fig.5 Measured and simulated pattern of the antenna

图6 圆极化天线轴比Fig.6 Measured and simulated AR of the antenna

通过图5和图6的仿真与实测结果可见,顺序旋转馈电可以弥补单元天线设计与加工误差以及介质基板材料不一致引入的误差,即使每个单元天线的轴比较高,顺序旋转阵列天线主轴上仍能辐射纯圆极化波[13]。极低的轴比保证了该天线用于空中辐射场测量时可以准确地接收不同极化方向的信号。

4 天线环境适应性考核

4.1 温度适应性

空中辐射场测量时,随着高度升高3 km时(海拔高度每升高100 m,气温下降0.6 ℃),环境温度会降低10 ℃以上。因此需要考察温度变化对天线性能的影响。微带阵列圆极化天线选用了碳氢陶瓷基板,该板材相对介电常数的温度系数为40×10-6/℃,环境温度变化几十℃基本不影响微带天线性能。天线使用了焊接方式馈电,采用了可用于 -30 ℃ 环境下的焊锡,以避免出现焊接处崩落影响天线性能的情况。此外还对天线采用了抗氧化、抗腐蚀等表面工艺,提高天线稳定性[14,15]。

高低温测试结果表明,常温(26 ℃)到低温(-6 ℃),温度跨度32 ℃,天线轴比偏差小于0.1 dB,性能参数无明显变化,较为稳定。

4.2 功率容量

空中辐射场测量时,由于对环境电磁水平无法预知,因此需要对天线自身的功率承受能力进行分析。介质和导体损耗所引起的温度上升限制了微带线的平均功率容量[14],而微带线能承受的最大峰值功率可表示为：

(3)

式中：Vmax为最大不击穿电压；ZC为特性阻抗。

对于相同的耐压强度Vmax，介质材料越厚和特性阻抗越小,则峰值功率容量越大。空气耐压强度约30 kV/cm,常见基片材料中聚苯乙烯耐压强度为280 kV/cm、硅耐压强度300 kV/cm。所设计的圆极化天线选用厚度h=1.524 mm的碳氢陶瓷基板,耐压强度312 kV/cm,计算所得峰值功率容量超过1.5 kW。辐照实验结果显示,圆极化天线在功率密度100 W/cm2时,未出现击穿现象,可以稳定一致地获取信号。

5 低轴比圆极化天线应用

将所设计的低轴比圆极化天线应用于X波段空中辐射场测量,某次实验的测量不确定度主要因素如表1所示。

从表1中可以看出,采用低轴比圆极化天线作为接收天线时,天线极化失配引入的不确定度仅约为0.04 dB,已成为不确定度分量中的一个较小分量,空中辐射场测量接收功率合成标准不确定度小于0.3 dB。

表1 X波段空中辐射场测量不确定度Tab.1 The uncertainty of X band airborne microwave radiation field measurement dB

6 结 论

本文首先对影响空中微波辐射场测量精度的主要因素进行了分析,并针对常规线极化接收天线容易因为极化失配引入较大不确定度的问题,设计了一种低轴比微带圆极化阵列天线。该天线在 9.7 GHz， 3 dB波束宽度约45°，轴比低至0.1 dB，应用该天线可以将极化失配不确定度减小到0.1 dB以内,并具有较强的环境适应性,适用于X波段空中辐射场精确测量,具有较好的应用前景。

[参考文献]

[1] 陈代兵, 范植开, 黄华. 开口波导有效接收面积的测量 [J]. 强激光与粒子束, 2004, 16(4): 474-476.

Chen D B, Fan Z K, Huang H. Measurement of effective aperture for an open-ended waveguide [J].HighPowerLaserandParticleBeams, 2004, 16(4) : 474-476.

[2] 张立刚, 宁辉, 邵浩, 等. 矩形开口波导天线特性的数值模拟 [J]. 强激光与粒子束, 2009, 21(4): 503-506.

Zhang L G, Ning H, Shao H,etal. Numerical simulation for characteristics of open-ended rectangular waveguide [J].HighPowerLaserandParticleBeams, 2009, 21(4) : 503-506.

[3] 彭兰, 卢晓鹏, 周子成. 低剖面宽带双圆极化微带天线 [J]. 雷达与对抗, 2017, 37(1): 34-36.

Peng L, Lu X P, Zhou Z C. A low-profile wideband microstrip antenna with dual circular polarization [J].Radar&EMC, 2017, 37(1): 34-36.

[4] 吴健, 沈文辉, 杨康, 等. 新型X波段圆极化介质谐振器天线 [J]. 太赫兹科学与电子信息学报, 2017, 15(1): 84-86.

Wu J, Shen W H, Yang K,etal. Novel X-band circularly polarized dielectric resonator antenna [J].JournalofTerahertzScienceandElectronicInformationTechnology, 2017, 15(1): 84-86.

[5] Long Z, Steven G, Qi L,etal. Single-Feed Ultra-Wideband Circularly Polarized Antenna With Enhanced Front-to-Back Ratio [J].IEEETransactionsonAntennasandPropagation, 2016, 64(1): 355-360.

[6] Prachi C, Raghvendra K, Kumar V S. Circularly Polarized Bowtieshaped Dielectric Resonator Antenna Excited with Asymmetric Cross Slot [J].MicrowaveandOpticalTechnologyLetters, 2015, 57(7): 1723-1727.

[7] Yi L, Jian X W, Lin Y,etal. A Compact Omni-Directional Circularly Polarized Antenna for Wlan Applications [J].MicrowaveandOpticalTechnologyLetters, 2016, 58(5): 1011-1016.

[8] Jie W, Yu J, Yong F. Millimeter-Wave Wideband High-Efficiency Circularly Polarized Planar Array Antenna [J].IEEETransactionsonAntennasandPropagation, 2016, 64(2): 535-542.

[9] Xiao Z, Lei Z. High-Gain Circularly Polarized Microstrip Patch Antenna With Loading of Shorting Pins [J].IEEETransactionsonAntennasandPropagation, 2016, 64(6): 2172-2178.

[10] Yong M P, Wan J Y, Shao Y Z,etal. Design of Wideband Circularly Polarized Antenna Using Coupled Rotated Vertical Metallic Plates[J].IEEETransactionsonAntennasandPropagation, 2018, 66(1): 42-49.

[11] 陈军, 宋振飞, 万发雨, 等. 外推法天线增益测量的阻抗失配修正及其不确定度评定[J]. 计量学报, 2018, 39(1):104-108.

Chen J, Song Z F, Wan F Y,etal. The Impedance Mismatch Correction for Antenna Gain Extrapolation Measurement and Its Uncertainty Evaluation[J].ActaMetrologicaSinica, 2018, 39(1): 104-108.

[12] Long Z, Steven G, Qi L,etal. Inverted-S Antenna With Wideband Circular Polarization and Wide Axial Ratio Beamwidth [J].IEEETransactionsonAntennasandPropagation, 2017, 65(4): 1740-1748.

[13] 林昌禄. 天线工程手册 [M]. 北京: 电子工业出版社, 2002.

[14] 张厚. 共面波导馈电平面天线 [M]. 西安: 西安电子科技大学出版社, 2014.

[15] 倪国旗. 介质埋藏微带天线 [M]. 北京: 国防工业出版社, 2012.