一种磁电偶极子阵列天线的设计

申强强,杨 康,陈晓鹏

(中国船舶集团有限公司第八研究院,南京 211153)

0 引 言

雷达与侦测系统的威力性能试验、验证要求使用高功率的信号源。信号源的等效全向辐射功率主要由天线增益和发射机功率两部分组成[1]。提高天线增益或发射机功率可增大等效全向辐射功率。常用的信号源天线为波导喇叭馈源的反射面天线,该形式天线如须提高天线增益,则要增加反射面尺寸,当频率较低时,反射面可能相当巨大[2]。反射面天线采用集中式固态发射机,必须进行多路功率合成,在百千瓦功率量级情况下,只有波导合成网络能够满足相应的峰值功率要求,波导网络尺寸很大,放大链路中还需要通过高功率隔离器、波导环行器改善级间隔离或馈线驻波,这些大尺寸器件均使得发射机尺寸大,结构复杂,结构布局困难。

本文设计一种应用于大功率信号源的磁电偶极子阵列,相对于反射面天线,天线剖面显著降低。采用各天线单元分布式发射,无须进行功率合成,减去了尺寸很大的波导网络,降低了整个放大链路的复杂程度。

1 天线原理及其设计

磁电偶极子天线于2006年由Luk 提出[3],其目标是设计一款频率特性稳定同时能抑制后瓣辐射的宽带天线,这种新型天线形式能够取得43.8%的相对带宽,在工作频带内增益围绕8 dBi小范围波动,能有效降低交叉极化,在E面和H面能有对称的方向图且在工作频带内比较稳定。磁电偶极子天线结构紧凑,采用一条Γ型空气微带线同时激励水平贴片和垂直短路贴片。天线水平方向上是一对电偶极子;与之相连并与地板连接的垂直贴片作为磁偶极子,组成结构简单的磁电偶极子天线。这种新型组合型天线能取得较宽的阻抗匹配带宽,而且E面和H面方向图几乎一样,在工作频带内还能有稳定的增益表现,有效抑制后向辐射。

天线结构如图1所示,主要由两块宽度为W、长度为L的矩形水平贴片沿天线中间对称放置,边缘处焊接离地高度为H=0.217λ0的垂直短路贴片,垂直贴片再与下方地板相连,反射地板起到定向辐射的作用。馈电部分由一个Γ形空气微带线构成,通过普通N型头连接激励。两块水平贴片之间的距离为S。天线的具体结构参数如表1所示。

表1 宽带磁电偶极子天线的尺寸表

(a)3D视图

Γ型馈线实际上就是一段普通的微带线,通过弯折形成Γ状馈线。电偶极子和磁偶极子的矩形贴片通过放置在天线中间位置的Γ型馈线来同时激励,不难发现其实这也是一种耦合馈电方式。Γ型馈线可以看作由3部分构成[4]:Γ型馈线较长一段垂直部分的底部与位于地板下面的N型接头焊接,这部分馈线的作用主要是将N型接头过来的能量传输到馈线的水平部分,事实上它还是一段与邻近垂直贴片组成的50 Ω微带线;第二部分即馈线的与对称水平贴片偶极子高度相同的水平部分,主要负责将第一段传递过来的能量耦合到电偶极子和磁偶极子;第三部分即与第二部分相连的较短的悬空微带传输线,这部分微带线在阻抗图上表现为容性,通过调节这段微带线的长度使其能够抵消水平部分的感抗,所以调节这段微带线长度可以进行阻抗匹配。

图1中的磁电偶极子天线辐射水平贴片可通过螺钉或焊接方式固定在金属地板上,Γ型馈线则只是通过焊接在同轴接头内芯上,这种固定方式在震动情况下极不可靠。为提高天线在车载或船载情况下的抗震动性能,Γ型馈线馈电部分增加了一个聚四氟乙烯块,如图2所示。

图2 宽频带磁电偶极子天线的驻波比

聚四氟乙烯块与金属地板、辐射贴片、Γ型馈线3部分均通过介质螺钉进行固定,增加了辐射贴片和Γ型馈线振动下的可靠性。同时,该聚四氟乙烯块也提高了安装精度和安装的便携性。聚四氟乙烯块采用机加工成型,具有较高的精度,辐射贴片安装时只须保证与聚四氟乙烯快紧密贴合,Γ型馈线安装时只须保证安装在限位槽中,安装完成即可保证辐射贴片与Γ型馈线之间的间距符合设计要求。天线用HFSS 软件仿真后,图3给出了该天线的驻波比曲线图,结果显示相对带宽达到82.4%(VSWR≤2),展现出较好的宽频带特性。

图3 宽频带磁电偶极子天线的驻波比

由于应用于大功率信号源,天线单元须承受很大的瞬时功率,当功率过大时,天线单元有击穿的风险。该情况可根据天线单元的输入功率进行仿真计算。根据设计要求,每个天线峰值单元功率为1 kW,电场最大处在Γ型馈线上。由图4可以看出,频率越低,天线单元中的最大电场强度越大。仿真得到最大场强为8.36×105V/m,小于空气和聚四氟乙烯的击穿场强。在大功率条件下天线单元可正常工作。

(a)fL

2 阵列天线测试

依据上述仿真的天线单元,加工一个4×4的天线子阵样件,天线振子之间的间距为0.667λ0,天线子阵尺寸为2.667λ0×2.667λ0,如图5所示。

天线子阵在室内远场测试系统进行了测试,以图5的形式垂直架设在测试转台上,此时天线子阵为垂直极化。在距离天线子阵一定距离且处于同一高度的地方架设一个喇叭天线作为信号源。天线子阵可通过转台在方位面进行转动,测出天线子阵的方位面方向图。天线子阵测试与仿真方向图对比如图6所示,测试结果与仿真结果具有较好的一致性。

(a)fL

将天线子阵替换为标准增益喇叭,即可测出标准增益喇叭的方向图。将标准增益喇叭和天线子阵所接收到的最大信号电平进行比较,即可求得天线子阵的增益:

GAUT=PAUT-Phorn+Ghorn

(1)

式中,Ghorn为标准增益喇叭的增益,dB;PAUT为天线接收的最大电平,dBm;Phorn为标准增益喇叭接收的最大电平,dBm。

天线子阵测试与仿真增益对比如图7所示,测试结果与仿真结果一致性较好。

图7 仿真与测试增益对比

3 结束语

本文设计了一种耐大功率的磁电偶极子阵列天线,经过仿真与测试对比,天线具有良好的宽带性能,且具有辐射大功率信号的能力。天线的耐功率性能通过连接功放设备进行了验证,天线未出现打火或发热严重的问题。