一种宽带稳定宽波束天线

张晓冲，涂海洋，马剑南，李 勇*，刘廷龙

(1.中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081；2.中华通信系统有限责任公司河北分公司，河北 石家庄 050081；3.空装驻石家庄地区军事代表室，河北 石家庄050081；4.燕山大学 信息科学与工程学院，河北 秦皇岛 066004)

0 引言

在卫星定位、雷达探测、电子对抗和弹载测控等无线电通信系统中,为了确保信号传输质量和传输速率,快速捕捉到微弱的信号,一般要求天线具有较宽的波束宽度,并能保持一定的低仰角增益,同时还需要在工作频段内保持波束宽度的稳定性。因此针对具有波束稳定性的宽带宽波束天线的研究具有广阔的应用背景。

工程中常见的宽波束天线结构形式有双臂螺旋天线[1]、四臂螺旋天线[2-5]、微带天线[6-9]和振子天线[10-12]等,但存在着工作带宽窄、单极化方式、波束宽度窄或低仰角增益较低等缺点。另外由于天线的匹配带宽和轴比带宽不重合,天线的实际工作带宽往往不能满足应用需要。宽频带天线的电尺寸在倍频程内变化较大,所以其辐射方向图在整个带宽内畸变得情况比较严重,很难在宽频带内使方向图波束保持稳定。

为了拓宽天线的带宽和波束宽度,提高低仰角增益,以适应某些通信系统的需求。国内外学者提出了多种方法,文献[9]通过在微带天线的四周加载柱状单极子来拓宽波束宽度,但工作带宽太窄,仅100 MHz。文献[13]通过在天线上面和下面加载寄生环结构来拓宽半功率波束宽度和改善轴比,但工作带宽窄的问题仍未解决。文献[14]通过优化两对折叠偶极子的结构,使得天线的波束宽度有了一定的拓宽,但其仍然是工作在1.6 GHz附近的窄频带天线。文献[15]提出了一种新型的天线结构形式,由地板上方的蝴蝶结型偶极子天线单元和金属桥进行组成,实现了天线波束的拓宽,其相对带宽为11.5%,相对于宽带天线来讲,带宽还是较窄。文献[16]通过在平面偶极子天线的四周添加寄生单元结构,在一定程度上拓宽了E面和H面的波束宽度。文献[17]通过在弯折天线臂上加载寄生金属板结构,实现了较宽的E面半功率波束宽度,并对天线臂进行了切割来改善波束的稳定性,最终设计出宽带宽波束天线,具有较强的实用价值。

偶极子背腔式天线,也常被称为腔振子天线,它主要由辐射振子、反射腔体及其馈电部分组成,由于背腔式反射器的作用,很容易实现单向辐射,它可以用单偶极子馈电实现单线极化工作,也可以十字偶极子馈电实现圆极化或双线极化工作。本文主要针对遥测遥控领域宽频带宽波束覆盖的技术需求,以工程应用为背景,通过在辐射片下折腔振子的基础上,采用在天线口面横向加载双扼流环结构、纵向加载匹配盘组结构以及在金属反射腔内添加金属隔离柱结构,有效改善了天线的带宽和轴比性能,改善了方向图特性,实现了2∶1带宽内宽波束低仰角覆盖,解决了传统天线在宽频带内低仰角增益较低、性能指标受限的技术问题。

1 天线描述和结构设计

本文所述宽带稳定宽波束天线如图1所示,包括宽带十字交叉的腔振子天线、双扼流环、宽带圆极化电桥和4个金属隔离柱等结构。

宽带十字交叉的腔振子天线的剖面结构如图2所示,它是由4个一段蝶形和一段矩形组成的辐射振子片,辐射振子片厚度1 mm,2对辐射振子片呈“十字”交叉对称放置,辐射振子片末端向下90°弯折一小段,与4个空心的金属支撑柱形成一个整体,由2根同轴线缆穿过相邻的2个空心金属支撑柱,2根同轴线缆的金属外皮和内芯分别与2对辐射振子片焊接,直接馈电,相位相差90°。低频匹配盘和高频匹配盘均呈圆形,厚度0.8 mm,位于辐射振子片正上方,用于调节天线匹配。低频匹配盘尺寸和高度均大于高频匹配盘,低频匹配盘用于调节低频段驻波,高频匹配盘用于调节高频段驻波,这对匹配盘尺寸大小和距离辐射振子片的高度与宽频带稳定宽波束腔振子天线装置的阻抗和驻波相关,可通过参数优化来调整。金属隔离柱下端连接金属反射腔体底部,且4个金属隔离柱以辐射振子片为中心,均匀分布。金属反射腔体底部安装有宽带圆极化电桥器件,很容易实现双圆极化。

图1 天线整体结构Fig.1 Overall structure of antenna

图2 宽带十字交叉的腔振子天线的剖面结构Fig.2 Sectional structure of broadband cross cavity dipole antenna

扼流环内环和扼流环外环几何大小成一定的比例,结构如图3所示。双扼流环由扼流环内环和扼流环外环构成,双扼流环被5 mm的带线呈“米”字型等分为8块,双扼流环置于印制板的上表面,印制板采用1 mm厚Neltec NY9220(IM)材料,介电常数2.2,单面板,呈环状,印制板与辐射振子片大致处于同一水平面,印制板外径及扼流环外环的外径与金属反射腔体的圆柱腔体外径相同,印制板内径及扼流环内环内径相同,且略大于辐射振子片最大外径。

图3 双扼流环的结构Fig.3 Structure of double-choke-ring

2 天线整体设计及天线样机

天线仿真模型如图4所示,图中黄色部分均为金属,灰色部分为印制板,白色部分为介质支撑柱。天线整体尺寸为φ×0.53λ0×0.23λ0(φ为天线的直径,λ0为最低频率在自由空间中的波长),金属腔体高度为20 mm,直径为115 mm,辐射片振子距离底板的高度为44.5 mm,宽度为28 mm,2对辐射片振子中每个辐射片长度为38 mm。低频匹配直径为19 mm,距离辐射振子片的高度为7.8 mm,高频匹配直径为8.9 mm,距离辐射振子片的高度为1.5 mm,金属隔离柱高度为35.6 mm,双扼流环印制板距离底板的高度为44.5 mm,最大外环直径为115 mm,最小内环直径为78 mm。双扼流环的外环尺寸与内环尺寸比值为4∶3。

图4 天线仿真模型Fig.4 Simulation model of antenna

3 测试结果与分析

3.1 天线样机加工及组装

根据仿真计算的设计结果,加工制作了天线样机,其中双扼流环PCB板实物如图5所示,辐射片下折的振子天线如图6所示,宽带稳定宽波束天线样机实物如图7所示。

图5 双扼流环PCB板Fig.5 PCB of double-choke-ring

图6 振子天线照片Fig.6 Photograph of proposed dipole antenna

图7 天线样机Fig.7 Photograph of proposed antenna

天线样机的组装步骤如下:首先,将加工完成的金属隔离柱及尼龙介质支撑柱通过金属反射腔底部的螺纹孔固定在金属反射腔中;其次,将高频和低频圆形匹配盘组通过尼龙介质柱、尼龙介质片和尼龙介质螺母固定在辐射片下折的振子上表面,形成一个宽带振子天线;然后将这个宽带振子天线通过螺纹孔固定在金属反射腔中;最后,将双扼流环PCB板装在尼龙介质支撑柱上,并通过尼龙介质螺母固定,将圆极化电桥通过螺纹孔安装在金属反射腔底部下表面,并将馈线连接好。通过以上步骤,最终完成此宽带稳定宽波束天线的整体装配。

3.2 结果分析

在天线样机整体装配完成后,采用Agilent E5071C矢量网络分析仪和天线自动测试系统在室外对天线样机的电性能(电压驻波比(Voltage Standing Wave Ratio,VSWR)、增益方向图等特性)进行了实际测试。

实测和仿真VSWR曲线对比如图8所示。

图8 仿真和实测VSWR曲线Fig.8 Simulated and measured VSWR curves of proposed antenna

由图8可知,实测结果和仿真结果基本吻合。在1.25～2.5 GHz频带内天线样机的VSWR在2.0以下,天线在工作带宽内具有良好的阻抗匹配特性。可通过优化改变纵向加载匹配盘组结构(低频匹配盘、高频匹配盘)的尺寸参数和距离辐射片振子的高度参数来调节天线的阻抗和VSWR。

天线增益的仿真和实测曲线如图9所示。由图9可知,在1.25～2.2 GHz频带内增益均比较高,仅在1.9 GHz附近出现了1个凹点,2.2～2.5 GHz频带内增益呈下降趋势,在2.5 GHz时达到增益最小值2.79 dB。

图9 天线增益的仿真和实测曲线Fig.9 Simulated and measured gain of proposed antenna

本文在天线口面横向加载双扼流环结构和金属反射腔内添加金属隔离柱结构是用于展宽波束宽度和调节轴比,以及改善天线方向图,可通过改变双扼流环的尺寸参数及金属隔离柱的位置和高度参数来优化调整。参见图10和表1,可见该天线在1.25～2.5 GHz整个带宽内增益大于0 dBi的波束宽度在132°～178°,方向图在带内基本保持稳定。

图10 天线方向图随不同频点变化的对比图Fig.10 Radiation patterns at several frequency points

表1 方向图增益大于0 dB的波束宽度记录

在本文中,天线的方向图测试采用场地远场法,天线增益测试选择方向图积分法。选取1.25、1.6、1.9、2.1、2.3、2.5 GHz六个频点进行了测试,并对仿真计算和实际测试得到的归一化方向图进行了对比,如图11～图16所示。

图12 1.6 GHz仿真和实测方向图Fig.12 Simulated and measured radiation patterns of proposed antenna at 1.6 GHz

图14 2.1 GHz仿真和实测方向图Fig.14 Simulated and measured radiation patterns of proposed antenna at 2.1 GHz

图15 2.3 GHz仿真和实测方向图Fig.15 Simulated and measured radiation patterns of proposed antenna at 2.3 GHz

图16 2.5 GHz仿真和实测方向图Fig.16 Simulated and measured radiation patterns of proposed antenna at 2.5 GHz

从图11～图16可知,天线辐射方向图实测结果在±66°波束范围内与仿真计算结果基本吻合,±66°波束范围内的方向图变化趋势保持一致,从而使天线实现了宽波束覆盖。天线方向图测试结果在±66°波束范围外与仿真结果略有差别,原因是在实际测试坏境中影响因素比理想仿真计算条件下更为复杂,尤其是地面及天线周边的环境对天线在±66°波束范围外的方向图影响还是很大的,不可避免地会引入测试误差,尤其是对这种宽频带宽波束天线。

4 结论

本文设计并制作了一款宽带稳定宽波束天线,通过在辐射片下折腔振子基础上,采用在天线口面横向加载双扼流环结构、纵向加载匹配盘组结构以及在金属反射腔内添加金属隔离柱结构,使得该天线的工作频带为1.25～2.5 GHz,在整个带宽内,方向图基本保持稳定,且增益大于0 dBi的波束宽度不小于132°。实际测试结果表明,其性能指标符合设计预期,并与仿真分析结果相互印证。天线性能指标保证了天线在低仰角也能够稳定接收信号。该天线结构紧凑、尺寸小、性能良好,涉及的相关技术还可应用于其他频段线极化及圆极化天线设计中。该天线适用于地面便携站、舰载和车载等多种平台,既可作为天线单独使用,又可作为天线阵列的单元使用,还可以作为反射面天线馈源使用,具有非常广阔的应用前景。