小型化高频地波雷达双频天线设计

刘 元,陈章友,吴雄斌

(武汉大学电子信息学院,湖北 武汉 430072)

0 引言

高频地波雷达监测是一种颇具潜力的海洋监测方式[1]。通常,八木天线[2]、单鞭天线[3]甚至对数周期天线[4-5]都能安装在高频地波雷达上作为发射天线使用。天线工作的频率范围为短波段(3～30 MHz),相应的天线高度较高,海边多风,地形起伏大。这使得天线及地网架设变得不易。为了让高频地波雷达能全方位地对海洋环境进行监测,使搭建雷达更经济、简易,将天线电小化[6-7]以及不使用地网是十分迫切的任务。电小化是指通过小型化手段使天线的尺寸(即最大的物理长度)与波长的比值小于0.1。双频辐射功能不仅能使高频地波雷达探测落在海浪谱中的目标[8],而且可以测量不同深度的海洋表层流。因此,双频天线可以丰富高频地波雷达的探测功能。

本文采用双层阿基米德螺旋加载的双四棱锥,满足高频地波雷达对天线的上述要求。阿基米德螺旋线加载大大降低天线的高度,实现了天线的小型化;采用双层加载以实现天线的双频辐射功能;采用双四棱锥消除对地网的依赖。最后,利用CST 软件仿真和天线缩比模型测量,证明了所设计天线的可行性。

1 偶极四棱天线设计

20 世纪90 年代末,A.G.P.Boswell 设计了一种适用于高频地波雷达的双四面体发射天线[9]。该天线高度相对于最低谐振点波长为,具有不加地网的特性[10]。如果将该天线改造进一步电小化及实现双频辐射,将使高频地波雷达具有更好的机动性和更强的探测性能。

本文所设计的天线体采用四棱锥结构,并对该偶极四棱锥进行双层阿基米德线圈加载[11]。加载的部位分别为天线四棱的顶部和接近中部的地方。

双层阿基米德线圈加载的双四棱锥天线结构如图1 所示。

图1 双四棱锥天线结构图Fig.1 Double pyramid antenna structure

图1 中:D2为高频线圈(内层小线圈)的直径,D2=4 m;D1为低频线圈(外层大线圈)的直径,D1=6 m;H1为外层大螺旋线圈距离馈电点的垂直高度,H1=3 m;H2为大小螺旋线圈之间的垂直距离,H2=1 m。图1 中的天线有8 根金属杆。每根金属杆长度为4.24 m,与水平或垂直方向的夹角均为45°。其中:金属杆与螺旋线圈的半径均为0.03 m;螺旋线圈旋转的圈数为1.75 圈;天线上下两部分关于馈电点镜像对称。H为天线的高度,H=6 m;H3为天线离开地面的高度,H3=0.25 m。天线离开地面用基座支撑。顶层螺旋线圈由4 个阿基米德螺旋曲线旋转构成,可以看作由1 根阿基米德螺旋曲线绕螺旋中心分别旋转0°、90°、180°、270°组成。四根螺旋的起点连接在螺旋中心,终点分别与四条棱的顶点相连。将低频线圈DPX(外层大线圈)关于馈电中心进行缩比因子为的放缩建模,得到高频线圈(内层小线圈)。天线外层的2个大线圈(低频线圈)用于实现低频工作模式,内层的2 个小线圈(高频线圈)用于实现高频工作模式。该设计能满足天线工作在双频的特性,实现了天线的双频功能。

图1 中的阿基米德螺旋曲线结构如图2 所示。

图2 阿基米德螺旋曲线结构图Fig.2 Archimedes spiral curve structure

由于阿基米德线圈加载,使线圈上分布大量电荷且电流不易衰减,改变了天线电流分布,延长了电流的有效回路,增加了天线有效高度[12]。天线谐振点右移,使天线高度不足。由此可见,天线变成了电小天线,完成了小型化任务。低频谐振点是由外层2 个大线圈(低频线圈)决定的,可以通过调节大线圈(低频线圈)长度或者曲线参数方程的方式调节低频谐振点的位置。比如线圈越长,低频谐振点越低;反之,则低频谐振点越高。高频谐振点是由内层2 个小线圈(高频线圈)决定的,可以通过调节内层2 个小线圈(高频线圈)的位置(即缩比因子)调节高频谐振点的大小。因此,高低频谐振点灵活可调,增大了该天线的应用范围。

该天线采用四棱锥模型使天线的有效体积变大,能加快谐振点右移。此偶极四棱天线进行了阿基米德螺旋线圈加载,天线的电尺寸为0.085λ。A.G.P.Boswell 设计的偶极四面体天线电尺寸为,两者相比可见本文中的天线电尺寸更小、高度更低,实现了天线电小化。在同等天线高度情况下,该设计能够节约材料,有利于高频地波雷达的小型化。本文中的天线采用了双层阿基米德螺旋线圈加载,使天线具有双频特性,有助于高频地波雷达区别目标和海杂波。相较于A.G.P.Boswell 设计的偶极四面体天线,本文天线的高低频谐振点是可以控制的,能够根据需要使天线灵活地工作在不同的工作频点。

2 仿真与实测结果分析

本文借助CST 软件,对阿基米德线圈加载天线进行仿真。

表1 为阿基米德线圈加载天线参数。

表1 阿基米德线圈加载天线参数Tab.1 Archimedes coil loads antenna parameters

阿基米德线圈加载天线反射损耗仿真曲线如图3所示。

图3 阿基米德线圈加载天线反射损耗仿真曲线Fig.3 Archimedes coil loading antenna reflection loss simulation curve

从图3 可能看出,前3 个谐振点的反射损耗在-5 dB 左右。这是因为该天线是电小天线,输入电阻太小,无法与50 Ω 的同轴线进行匹配,导致天线的能量不能有效地辐射出去。若加载1 个匹配网络可以解决此问题,从而改善天线的工作特性。

图3 中,在10 MHz 范围内天线共有5 个谐振点,可见阿基米德螺旋曲线加载后天线的谐振点频率降低了,使更多的谐振点出现在10 MHz 以内。5 个谐振点的频率分别为4.2 MHz、5.5 MHz、7 MHz、7.5 MHz 和9.3 MHz。反射损耗大小分别为-5 dB、-6 dB、-5 dB、-16 dB 和-15.9 dB。f=4.2 MHz 是阿基米德线圈加载天线外层2 个大螺旋线圈(低频线圈DPX)工作模式的基次模频率,它是低频谐振点。f=7 MHz 是阿基米德线圈加载天线内层2 个小螺旋线圈(高频线圈GPX)工作模式的基次模频率,对应高频谐振点。

天线尺寸与基次模频点处的工作波长的关系为:

式中:L为天线尺寸;λ为天线的工作波长。

再由c=λf,可得天线的工作频率为:

式中:c为光速;L为天线尺寸;f为频率。

在阿基米德曲线加载天线中,天线的有效长度为倾斜的柱体高度再加上1 根阿基米德曲线的长度的和的两倍。所以L=(3+14.4)×2=34.8 m。

天线在高频谐振点f=7 MHz(内层两个小螺旋线圈谐振频点)处的表面电流图如图4 所示。

图4 表面电流图Fig.4 Surface current diagram

由于低频谐振点f=4.2 MHz 处的表面电流图分布原理与高频谐振点f=7 MHz 处的相同,这里不一一展示。

从图4 可以看出,此时阿基米德线圈加载已改变了天线表面的电流分布。在高频谐振点f=7 MHz 时,天线上的电流主要分布在内层的2 个螺旋线圈(高频线圈GPX)上。此时,内层2 个小螺旋线圈处于谐振状态;线圈上有最大的辐射电流。金属柱体上也有电流分布,但占比较小。

天线在高频谐振点f=7 MHz 处的三维远场方向图如图5 所示。

图5 三维远场方向图Fig.5 Three-dimensional far-field pattern

低频谐振点f=4.2 MHz 处的三维远场方向图与高频谐振点f=7 MHz 处的三维远场方向图相似,这里不作展示。

从图5 可以看出,在xOy面上,天线的辐射强度在3.75 dB 左右,天线的方向图呈圆形,说明天线有很好的水平全向性。在yOz面上,随着仰角的逐渐增加,天线的辐射强度逐渐减弱,天线的最强辐射方向出现在水平方向。

该短波天线的电尺寸是0.085 λ。当天线工作在低频谐振点f=4.2 MHz 时,天线对应的高度高于6 m,不易于加工天线成品,测量也有诸多不便。这里使用缩比模型来证明天线的有效性。实际加工的缩比模型如图6 所示。

天线高度为20 cm。缩比模型的反射损耗仿真曲线如图7 所示。

图7 缩比模型的反射损耗仿真曲线Fig.7 Simulation curve of reflection loss of reduction model

由图7 可知,缩比模型的反射损耗曲线和实际天线(实际天线高6 m)的反射损耗曲线(图3)变化趋势大致相同,从而可以佐证该短波天线的电特性。

从图7 能看出,在0～300 MHz 范围内,该曲线有6 个谐振点,频率分别为128.7 MHz、162 MHz、188.4 MHz、210.3 MHz、226 MHz、283 MHz。对应的天线反射损耗大小分别为-4.8 dB、-6.1 dB、-5.7 dB、-4.7 dB、-15.3 dB、-15.4 dB。

利用矢量网络分析仪对缩比天线的反射损耗进行了测量。缩比模型天线的仿真曲线和实测曲线的对比如图8 所示。

图8 仿真曲线与实测曲线的对比Fig.8 Comparison of simulation curve and measured curve

从图8 能看出,实测工作频点和仿真曲线的工作频点大概一致,然而反射损耗变化曲线的实测结果和仿真并非完全一致。这大致是因为实际缩比天线所用的铜丝和50 Ω 的同轴线都会带来一定的能量损耗。但实测曲线与仿真曲线变化趋势基本一致,证实了天线的有效性。

3 结论

本文设计了一种适用于高频地波雷达的双四棱锥新型天线。该天线采用阿基米德线圈加载,得到电尺寸仅为0.085 λ 的电小天线,且不需要铺设地网,方便架设与移动。双层加载使所设计的天线可以工作于4.2 MHz 及7 MHz 这2 个频率,不仅使雷达具有对海洋不同表层流探测功能,而且增强雷达对海上目标探测能力。CST 软件平台仿真结果及缩模测量结果表明了所设计天线的可行性。