一种超短波宽带高功率振子天线的设计与实现

马剑南,王 亮,赵 航

(中国电子科技集团公司第五十四研究所,河北 石家庄 050081)

0 引 言

随着电子科学技术的快速发展,高功率辐射需求也随之快速增多,对天线的要求也越来越高,天线不但具备发射和接收多重功能,同时还要具有更高的功率容量[1,2]。所以需要研制出功率容量大和工作带宽宽的天线形式。对称振子天线以其具有技术成熟、结构简捷、易加工和易组阵等优点,被广泛应用于通信、广播电视、雷达和飞行器等领域[3]。目前对称振子天线出现了许多形式,都是以提高性能和满足不同应用为目的演变而来的,通常借助合适的巴伦设计可以有效改善天线的性能,解决天线输入阻抗与馈线特性阻抗不匹配的问题[4]。本文设计的振子天线采用了硬同轴结构的馈电设计,实现了承受2 000 W连续波功率的能力,并且驻波性能良好,达到2以下。

1 天线结构设计

图1分别是天线外形结构的俯视图和侧视图。天线从上到下依次是顶加载、辐射振子、介质支撑、硬同轴线、安装法兰、反射地板。顶加载为金属圆盘,圆盘加载结构一方面引入新的谐振点来展宽天线带宽;另一方面增加对地的电容使天线谐振频率降低,等效减小了振子长度,其半径为R_1。辐射振子为领结形结构,利用其渐变特性,可以展宽天线工作带宽,末端向下弯折,缩减横向尺寸。介质支撑保证天线电气绝缘的位置绝缘良好,并且为天线提供一定的结构强度。硬轴线为空气同轴结构,金属外导体既是结构支撑件,同时也是传输线的外屏蔽层,天线的极化设计为线极化形式,满足大部分超短波通信、雷达、数据链等场景的使用。

图1 天线外形示意图

辐射振子天线与顶加载之间有一段间隙,间隙距离为27 mm,可适当调节间隙尺寸来调节天线匹配情况。金属顶加载设计为圆盘结构,结构简单,易于加工。通过辐射振子上的聚四氟乙烯圆环支撑起来。

2 硬同轴线设计

同轴线是微波射频工程中最常用的一种传输线。同轴线是由共轴线的实心圆柱导体和空心圆柱金属管构成的双导体传输线。常见的同轴线分为两种类型,一种是内外导体之间为软绝缘介质支撑的软同轴线,又叫做同轴电缆;另一种是由绝缘垫圈支撑内外导体的硬同轴线。图2为硬同轴线的结构形式,硬同轴线的内外导体直接填充的介质一般为空气,其每间隔一段距离设计一个高频介质支撑,以保证同轴线的共轴性,硬同轴线的特点是内外导体直径大,电磁波传输损耗低,功率容量大,本设计就是利用硬同轴线的这一特点,将其作为天线的馈电传输线。

图2 硬同轴传输线结构示意图

同轴线既可以传输无色散的TEM波,又可以传输色散的TE波和TM波。TEM模是同轴线的主模,而TE/TM为同轴线的高次模。根据TEM模的特性可知,同轴线具有宽频特性,可以从直流一直工作到毫米波频段。选择硬同轴传输线兼具宽频带和大功率容量优势。

图3为硬同轴线截面图,硬同轴线特性阻抗为:

图3 硬同轴传输线横截面

(1)

式中b为同轴线外导体内半径,a为内导体外半径,εr为填充介质的介电常数,对于空气同轴线介电常数为1。设计值b=8 mm,a=3.46 mm,空气的εr=1,此时特性阻抗值为50 Ω,满足阻抗要求。

与此同时,同轴线的功率容量计算公式为[5]:

(2)

对于该硬同轴线,b=8 mm,a=3.46 mm,εr=1,Eb=30 kV/cm,可算出该同轴线的功率容量为Pb=750 kW。

通常满足功率2 000 W,即可以满足大部分的应用需求,一方面硬同轴馈电结构需要满足该功率容量,另一方面,天线上的非金属材料需要选择耐高温的材料,比如玻璃钢、聚四氟乙烯等,避免选择尼龙等耐温性能差的材料。

3 辐射振子设计

根据天线理论分析,在自由空间,对称振子的输入阻抗为[6]:

(3)

式中对称振子对应传输线的特性阻抗为:

(4)

其中,2l为振子总长,a为对称振子臂半径。由式(3)可以看出,对称振子的输入阻抗由实部和虚部组成,为了方便分析,可以将其写成Zin=R0(l)+jX0(l)。在具体设计过程中,由于天线的臂长已确定,则输入阻抗可以改写与频率有关的函数Zin=R0(l)+jX0(f),可用图4的等效电路表示,Z0(Y0)为与频率无关的馈电传输线特性阻抗(导纳)。

图4 辐射振子匹配等效电路图

根据微波传输线理论可知,等效电路实现阻抗匹配必须满足负载阻抗等于传输线阻抗的条件:Zin=Z0,即R0(f)=Z0,X(f)=0,才能达到理想匹配[7]。这在对称振子天线设计中,除了在某些谐振点可以满足此条件外,在宽频带范围内很难得到满足。因此,工程上通常认为,只要在一定频率范围内满足:R0(f) ≈Z0,X(f)

为了使天线匹配到50 Ω系统上,首先需要对其进行阻抗匹配设计,对天线进行参数化建模和参数化分析如图5所示,图5(a)是VSWR随着R_1变化趋势,选择合适的R_1值为120 mm,可以使驻波值在2.0以下。图5(b)是VSWR随着L_1变化趋势,选择合适的L_1值为360 mm,可以使驻波值在2.0以下。

图5 VSWR变化曲线图

对馈电端口激励2 000 W连续波信号,此时辐射振子上激励起的电流分布如图6所示,当输入正弦信号时,电流的方向会反复变化,但是整个天线上的电流方向基本相同,没有出现明显的反向电流,因此波束不会分裂,辐射性能良好,不同频点的仿真方向如图7和图8所示。

图7 低频辐射方向图

图8 高频辐射方向图

反射地板与辐射振子的距离一般为中心频率对应波长的1/4,目的是在不改变水平面波束宽度的前提下,将后向能量汇聚到前向,获得增益提高。优化后天线各个尺寸参数见表1。

表1 优化后的结构参数

4 实测结果

为了验证设计方案的正确性,按照仿真得到的模型尺寸,对天线的各个部件加工、装配、调试,使用矢量网络分析仪对加工好的实物进行测试,实测和仿真电压驻波比VSWR曲线如图9所示。由于实际加工中,天线装配的部件较多,在加工过程中部分配件未能保持很好的精度,天线驻波比和仿真有一定的差异,但通过调试顶加载结构,可以使驻波比满足指标要求,驻波比实测值为1.85,满足VSWR<2.0的要求。

图9 电压驻波比曲线(实测和仿真)

对于天线方向图测试采用的是场地远场法,收发天线之间的测试距离满足远场测试距离条件,即收发天线之间的距离R满足:

(5)

式中:R为收发天线之间的距离;λ为工作波长;D为待测天线口径(天线最大线尺寸)。

在满足远场测试条件的前提下,天线增益测试通常采用波束宽度法、比较法和方向图积分法,本文采用了方向图积分法来得到远场方向图及增益。实测了天线方向图,并和仿真结果进行了对比,实测和仿真结果吻合良好,如图10所示。

图10 天线方向图(实测和仿真)

5 结论

研制了一种工作在超短波频段、功率容限高、工作带宽宽的振子天线。馈电采用空气硬同轴线结构,兼具宽频带和大功率容量特点,并结合顶加载手段实现设计带宽。通过天线的仿真及实测,证明该振子天线既满足增益和波束宽度要求,又满足了低驻波比和高功率容量要求。该振子天线可以作为阵列天线中的阵元模块,结合后端的分布式功放,实现更高的定向辐射功率。