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      一種超寬帶平面螺旋天線的設(shè)計與研究

      2020-10-20 06:26:25曾嘉誠
      科學(xué)與財富 2020年19期
      關(guān)鍵詞:巴倫寬帶

      摘要:平面螺旋天線具有寬頻帶、小體積、易共形等特性,因此廣泛應(yīng)用在電子對抗領(lǐng)域。文章設(shè)計了一種低剖面高增益的超寬帶平面螺旋天線,該天線能夠工作在1-40GHz的頻段內(nèi)。用一種經(jīng)指數(shù)切削的同軸饋電巴倫對天線進(jìn)行饋電,滿足了天線的饋電平衡和阻抗匹配,同時通過在天線背面加載異型反射腔提高天線的正向增益。經(jīng)一系列的仿真優(yōu)化,其結(jié)果表明天線具有良好的寬頻帶特性、較大的功率容量和較好的圓極化特性。

      關(guān)鍵詞:平面螺旋天線;寬帶;巴倫;反射腔

      現(xiàn)如今電子信息技術(shù)已經(jīng)得到了蓬勃的發(fā)展,電子技術(shù)也已廣泛應(yīng)用在軍事領(lǐng)域中,幾乎所有的現(xiàn)代化武器系統(tǒng)都已實現(xiàn)了信息化。在日益復(fù)雜的電磁環(huán)境下,電子對抗技術(shù)也就變得更加重要[1-3]。

      在上世紀(jì)50年代,Rumsey等人提出了頻率無關(guān)天線的概念,這類天線的電性能參數(shù)在相當(dāng)寬的頻帶范圍內(nèi)保持不變或變化很小。頻率無關(guān)天線也稱為非頻變天線,根據(jù)Rumsey原理,其結(jié)構(gòu)只與角度有關(guān),這也表示天線的尺寸可以無限大[4-6]。實際運用中,因尺寸限制往往要求天線在某點處截斷時,天線性能不受影響或可忽略不計,即需滿足截斷原則。平面螺旋天線作為一類經(jīng)典的非頻變天線,在電子對抗技術(shù)已得到了廣泛的使用,如預(yù)警機的雷達(dá)[7]。

      1平面螺旋天線設(shè)計

      本文設(shè)計的是雙臂阿基米德螺旋天線,其結(jié)構(gòu)在極坐標(biāo)下可用如下方程表示:

      式中r0表示天線的起始半徑;α為增長率;為角度;為起始方位角,本文中分別設(shè)置為0和π。事實上阿基米德螺旋天線并不完全滿足Rumsey原理,不是一個真正的非頻變天線。下面根據(jù)阿基米德螺旋天線的輻射機理,解釋其為什么擁有很寬的頻帶。阿基米德螺旋天線存在一個輻射激活區(qū),遠(yuǎn)區(qū)場的輻射主要依賴于這一激活區(qū),激活區(qū)外所產(chǎn)生的場幾乎對遠(yuǎn)區(qū)輻射場沒有影響。在周長為一個波長的區(qū)域附近,兩臂上的電流幾乎同向所產(chǎn)生的輻射場在螺旋平面法向方向上相互疊加產(chǎn)生強輻射,這一區(qū)域就是輻射激活區(qū)。隨著波長(也就是頻率)的變化,激活區(qū)的位置也在不斷變化,這使得阿基米德螺旋天線具有非頻變特性[8]。且由于天線的對稱結(jié)構(gòu)使得電流在空間的分布幾乎正交且大小幾乎相等,所以天線輻射場為圓極化[9]。

      阿基米德螺旋天線的輸入阻抗與設(shè)計的金屬線寬有關(guān)。當(dāng)金屬線寬等于螺旋縫隙寬度時,天線呈互補結(jié)構(gòu),按照Babinet原理其理論輸入阻抗應(yīng)為60πΩ,實際測得阻抗值約為120~140Ω。

      一般情況下天線外徑R和內(nèi)徑r0應(yīng)滿足如下要求

      本文在CST中建立的模型如下圖所示

      設(shè)置為0.2mm,R設(shè)置為63mm。如圖所示在外圍對阿基米德螺旋天線進(jìn)行了正弦加載,正弦加載可有效增加天線的電長度,從而減小天線的尺寸,正弦加載的幅值為0.4[10]。在天線末端進(jìn)行了切削處理,可有效減小末端的反射電流。經(jīng)過一系列的仿真優(yōu)化,最終螺旋增長率a取0.48,金屬線寬為0.9mm。

      2寬頻帶饋電巴倫

      阿基米德螺旋天線為平衡結(jié)構(gòu),所需的饋電結(jié)構(gòu)也為平衡結(jié)構(gòu),而傳統(tǒng)的同軸線饋電和微帶線饋電均為非平衡結(jié)構(gòu)饋電,因此需要非平衡-平衡的轉(zhuǎn)換裝置[11-12]。文中設(shè)計阿基米德螺旋線的輸入阻抗為108Ω,為與50Ω 的同軸激勵匹配需要阻抗變換裝置,且該裝置需滿足阿基米德螺旋天線的寬帶要求。漸變線阻抗變換器可同時滿足阻抗變換與平衡轉(zhuǎn)換,如圖2 所示為同軸切削巴倫

      如圖所示對同軸饋電的外導(dǎo)體進(jìn)行指數(shù)切割使得末端變成內(nèi)導(dǎo)體相同的結(jié)構(gòu),在末端形成平行雙線,實現(xiàn)非平衡-平衡的轉(zhuǎn)換。通過調(diào)整末端的軸間距或半徑大小調(diào)整末端的阻抗以實現(xiàn)與天線的阻抗匹配。漸變線結(jié)構(gòu)意味著特征阻抗沿長度是連續(xù)變化的,存在無限多的階梯阻抗變換器,即擁有良好的寬頻帶性能。本文所設(shè)計的同軸切削饋電巴倫,下端與同軸饋電相連,特征阻抗為50Ω,內(nèi)導(dǎo)體半徑為0.25mm,外導(dǎo)體內(nèi)徑為0.58mm,外徑為1.2mm。上端口分別與螺旋天線兩臂相連,末端外導(dǎo)體半徑為0.25mm,軸間距為0.7mm。通常巴倫的長度設(shè)計為最大工作波長的一半,為減小天線整體的剖面高度,進(jìn)行一系列的仿真優(yōu)化,最終設(shè)計同軸切削巴倫長為44mm,在1-40GHz的工作頻帶內(nèi)的回波損耗均滿足要求。

      3反射腔設(shè)計

      平面阿基米德螺旋天線具有雙向輻射特性,實際運用中往往只需要單向輻射,通常采用如下兩種方式來實現(xiàn)單向輻射:(1)在天線背面填充吸波材料,通過吸波材料吸收天線的背向輻射。(2)在天線背面添加金屬反射腔,通過金屬腔的反射提高天線的正向增益。采用方法一時,天線背向輻射的能量

      被吸收以熱的形式損耗,輻射效率較低。本文采用方法二來實現(xiàn)單向輻射。通常天線的背腔設(shè)計為平底腔,腔體高度為工作波長的四分之一[13-14]。由于阿基米德螺旋天線為寬頻帶天線,工作波長相差很大,若采用常用的平底腔結(jié)構(gòu),天線的寬頻帶特性無法保證,背向的反射波可能與正向波相位相差π(或π的奇數(shù)倍)產(chǎn)生相消。本文設(shè)計了一種錐形金屬反射腔,使天線的輻射激活區(qū)與金屬反射面的距離約為λ/4,結(jié)構(gòu)如圖3所示

      4仿真結(jié)果分析

      將同軸線底部設(shè)置為波導(dǎo)端口,對天線模型進(jìn)行仿真,其相應(yīng)的仿真結(jié)果如圖4-8所示。

      由圖5可以得出天線在1-40GHz的頻帶范圍內(nèi)阻抗匹配良好,大部分頻點的回波損耗低于-15dB。由圖6和圖7可知加載背腔后,天線在6-40GHz的增益約提高3dBi,在低頻處受天線剖面高度限制不存在反射面,增益與未加載反射腔差異不大;加載背腔后天線的圓極化性能確實受到影響,但在大多數(shù)頻點上軸比小于3dB,表明天線依然具有良好的圓極化特性。由圖8也可看出加載背腔后天線后向輻射減少,正向輻射增多。圖9為頻率為40GHz輸入功率為200w時天線的溫度分布圖,可以看出溫度最高為393K位于同軸巴倫內(nèi)導(dǎo)體處,輻射器部分的溫度低于介質(zhì)可承受溫度,表明天線可以承載較大的功率,有較大的功率容量。

      5結(jié)束語

      文中設(shè)計一種工作頻帶為1-40GHz的平面阿基米德螺旋天線,仿真結(jié)果顯示所設(shè)計的輻射器和寬帶饋電巴倫都有良好的寬頻帶性能和圓極化性能,加載背腔后整個頻帶都具有較高的增益,且天線具有較大的功率容量。

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      作者簡介:

      曾嘉誠(1995—),男,江西撫州人,碩士研究生;研究方向:寬帶天線。

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