天線組陣設計與研究范文

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《火控雷達技術雜志》2016年第3期

摘要：針對某陣列天線需要寬帶圓極化天線陣列單元的需求，設計了一種工作于L波段軸向模右旋螺旋天線，用高頻電磁仿真軟件(AnsoftHFSS)優(yōu)化了饋電點高度和介質(zhì)支撐對天線性能影響。仿真和實測結果表明，該天線單元在31%相對帶寬內(nèi)，仿真和實測結果吻合較好。該軸向模右旋螺旋天線的性能完全要求，并已用于實際工程中。

關鍵詞:陣列；螺旋天線；軸向；寬帶

0引言

隨著衛(wèi)星通信、遙控遙測技術的發(fā)展，以及高速目標在各種氣候和極化方式條件下跟蹤測量的需要，通常采用線極化天線難以保證穩(wěn)定而可靠的工作。而一個圓極化波可以分解為兩個振幅相等，相位相差90°的空間相互正交的線極化波，由于它的這種獨特性能，因此越來越多的電子設備采用圓極化的寬帶天線。下面以右旋單繞軸向模螺旋天線為例介紹它的設計、阻抗匹配問題以及采用介質(zhì)支撐后對天線的影響等。

1原理分析

1.1陣列天線要求

根據(jù)需求，某L頻段陣列天線要求工作在右旋極化模式，總增益達到17dB，具有方位跟蹤，且天線高度要求不超過300mm，本著性價比高的原則，方案篩選出陣列單元的形式為軸向螺旋天線形式，天線高度要求限制單元增益，優(yōu)化計算的單元增益最大為11dB，采用2×4單元組陣可滿足陣列總增益的要求，利用和差組合網(wǎng)絡形成和信號及方位差信號。

1.2螺旋天線的定義

螺旋天線是圓極化寬帶天線的一種，是用金屬線(或管)按一定規(guī)律繞制而成的螺旋形結構的行波天線。通常是用同軸線饋電，同軸線內(nèi)導體和螺旋線一端相連，外導體和金屬接地板相連。螺旋天線的輻射特性和它的直徑(用D表示)與波長之比有關，根據(jù)輻射方向可將螺旋天線分為三種類型:環(huán)狀天線型(D/!＜0.18)、軸向型(0.25＜D/!＜0.46)和圓錐型(D/!＞0.46)。其中能在1.7:1頻帶內(nèi)保持方向性或增益接近最大值的是軸向模螺旋天線，它具有以下幾個特點:天線的最大輻射方向沿螺旋的軸線方向;輻射場為圓極化;輸入阻抗近似為純電阻。

1.3阻抗匹配

螺旋天線最主要的問題是它與饋線之間的匹配特性。工程設計時常采用下面的經(jīng)驗公式Rin≈140c/!式中:c為單圈螺旋周長，!為自由空間波長。一般設計時常取c/!=1.07，因此求出它的輸入阻抗Rin=150#，而螺旋天線都采用50#的同軸線進行饋電，顯然螺旋天線和饋電點之間存在阻抗失配問題。為使阻抗匹配，一般用漸變鏡像傳輸線阻抗變換器原理，優(yōu)化螺旋線與饋電點之間的高度d，采用50#的同軸線到150#輻射阻抗的漸變過度，使天線與饋電點之間很好的匹配，經(jīng)過優(yōu)化設計，設計的螺旋天線在31%的相對帶寬電壓駐波比$＜1.4:1。

1.5螺旋天線的支撐

為了使天線能夠穩(wěn)定而可靠的工作，結構上需要考慮螺旋天線的支撐問題。常見方法是選用低損耗聚四氟乙烯介質(zhì)桿或介質(zhì)管支撐，在此選用的是聚四氟乙烯介質(zhì)管支撐。由于λε=λ0ε槡r，因此填充介質(zhì)后相當于波長減小，即頻率偏高，為了滿足要求，應該考慮加介質(zhì)支撐時對天線的影響，即將螺旋天線直徑相應縮小。

2仿真設計分析

2.1仿真設計

根據(jù)工程需要，設計一個右旋單繞軸向螺旋天線，工作頻率在1.25～1.71GHz，相對帶寬為31%。設計參數(shù)為:D=62mm，圈數(shù)n=7，螺距h=39.6mm，接地板D1=250mm。螺旋線采用直徑為3.6mm的金屬銅導線，均勻纏繞在外徑為62mm的聚四氟乙烯介質(zhì)管上，介質(zhì)管的介電常數(shù)取

2.1，對螺旋天線輸入阻抗影響忽略。利用高頻仿真軟件AnsoftHFSS對以上參數(shù)進行建模仿真。

2.2仿真結果

螺旋天線方向圖仿真曲線。由螺旋天線的方向圖仿真曲線可看出E面、H面方向圖基本等化，增益高于11.27dB。從單元方向圖在頻帶內(nèi)的分布情況可看出，適當減小螺旋天線直徑可獲得更好的輻射性能。

2.3測試結果與分析

螺旋天線主要性能的理論分析與實際測結果比較。在相對帶寬達到31%的工作頻帶內(nèi)，實測駐波小于1.39:1，實測增益可達11.27dB，實測軸比小1.35dB。仿真結果與測試結果較吻合。

2.4天線組陣

天線組陣可有效提高天線的增益，使波束變窄，以便達到總的性能指標。該螺旋天線已經(jīng)被用于某工程中，采用2×4單元組陣，選取合適的陣間距(陣元間距為半波長)可減少單元螺旋天線之間的互耦，降低柵瓣，總增益可達17dB。組陣天線每四個單元通過一分四的功分器連接到魔T，輸出的和信號由雙工器將接收和發(fā)射分離出來，差路信號通過發(fā)阻濾波器輸出跟蹤信號。

3結論

本文介紹的陣列天線中的單元是一種單繞軸向模右旋寬帶螺旋天線，其結構簡單緊湊，性能優(yōu)良，加工方便，調(diào)整容易，特別是用簡便方法解決了阻抗匹配問題，在31%的相對帶寬內(nèi)，各項指標均達到了設計要求。

4致謝

感謝中國電子科技集團公司首席專家段玉虎對本文的精心指導;感謝中國電子科技集團公司第39研究所副總工程師吳養(yǎng)曹研究員對本文螺旋天線的設計理論及優(yōu)化方法提出了寶貴意見。

參考文獻:

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作者：曹燕華；楊東 單位：中國電子科技集團公司第39研究所