微帶線-槽線饋電縫隙等角螺旋天線設(shè)計(jì)

方慶園 金 銘 宋立眾 韓 勇 喬曉林

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微帶線-槽線饋電縫隙等角螺旋天線設(shè)計(jì)

方慶園①金 銘*②宋立眾②韓 勇②喬曉林②

①(哈爾濱工業(yè)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院 哈爾濱 150001)②(哈爾濱工業(yè)大學(xué)(威海) 威海 264209)

寬帶天線；被動(dòng)雷達(dá)導(dǎo)引頭；縫隙等角螺旋天線；微帶線-槽線巴倫

1 引言

被動(dòng)雷達(dá)導(dǎo)引頭為探測(cè)與跟蹤目標(biāo)一般采用寬帶天線。等角螺旋天線具備寬頻帶、高增益、寬波束、圓極化等特性，因此適用于被動(dòng)雷達(dá)導(dǎo)引頭天線系統(tǒng)[1]。但導(dǎo)引頭內(nèi)局促的天線安裝空間迫切要求降低天線剖面，同時(shí)集成化、一體化的天線設(shè)計(jì)能避免人工焊接帶來(lái)的誤差。因此低剖面、一體化的等角螺旋天線設(shè)計(jì)有重要意義。

等角螺旋天線為了實(shí)現(xiàn)平衡饋電，需要采用不平衡到平衡的轉(zhuǎn)換裝置-巴倫(unbalance-balance Balun)[2]。通常使用超寬帶微帶線漸變巴倫[3]。巴倫終端與天線兩臂焊接相連。此種饋電方式缺點(diǎn)是巴倫與天線平面垂直，整體剖面高，機(jī)械緊固性低，且在關(guān)鍵平衡饋電點(diǎn)處引入了人工焊接誤差。彎折巴倫從一定程度上降低了巴倫剖面[4]，但巴倫所在平面仍與天線平面垂直[5]，天線剖面降低程度有限。

2 縫隙等角螺旋天線設(shè)計(jì)

2.1 縫隙等角螺旋天線結(jié)構(gòu)

Dyson[14]提出的等角螺旋天線一條臂在極坐標(biāo)下的方程為

為初始半徑，為螺旋增長(zhǎng)率，為極坐標(biāo)系下的角度。另外一條臂由式(1)旋轉(zhuǎn)得到。由最高工作頻率來(lái)決定[15]，一般取，螺旋臂最大半徑由最低工作頻率決定，一般取。為使導(dǎo)體螺旋臂與臂的間隙形成自互補(bǔ)結(jié)構(gòu)，取?？p隙等角螺旋天線與導(dǎo)體等角螺旋互為互補(bǔ)結(jié)構(gòu)如圖1所示。若忽略導(dǎo)體螺旋臂起始位置處扇形導(dǎo)體，當(dāng)?shù)冉锹菪炀€半徑趨向于無(wú)窮大時(shí)，導(dǎo)體螺旋臂與縫隙螺旋臂互補(bǔ)。圖1中表示等角螺旋天線最大半徑，為最小半徑，為螺旋臂初始角度。該等角螺旋天線的具體參數(shù)如表1所示。

表1縫隙等角螺旋天線參數(shù)

變量名變量值 a0.221 15 mm 42.5 mm rad

2.2 微帶線轉(zhuǎn)槽線饋電結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

槽線是一種平衡的饋電結(jié)構(gòu)[16]，在此采用漸變微帶線-槽線對(duì)縫隙螺旋天線饋電，如圖2所示。在微帶線始端由同軸線激勵(lì)，漸變微帶線沿螺旋臂向內(nèi)逐漸延伸進(jìn)行阻抗變換，終端為扇形開(kāi)路枝節(jié)。微帶線與螺旋天線兩臂分別印刷于介質(zhì)板兩側(cè)(介質(zhì)板采用Rogers 5880，介電常數(shù)2.2，厚度0.508 mm)。

微帶線電場(chǎng)如圖3(a)所示，微帶線轉(zhuǎn)槽線處電場(chǎng)如圖3(b)所示。以微帶線中心(圖3(b)中微帶線如虛線所示)為界，槽線上下均分為兩個(gè)縫隙，兩縫隙中電場(chǎng)相同，相當(dāng)于微帶線激勵(lì)兩個(gè)并聯(lián)縫隙。

圖2(b)所示結(jié)構(gòu)可看作微帶線饋線到槽線的轉(zhuǎn)化，由槽線給縫隙天線平衡饋電。通常微帶線地板寬度為微帶線寬度的8~10倍，在此微帶線地板不滿足該準(zhǔn)則，且槽線也非標(biāo)準(zhǔn)槽線結(jié)構(gòu)。此處微帶線與槽線可認(rèn)為是兩種傳輸線的近似，通過(guò)數(shù)值仿真確定微帶線與槽線物理參數(shù)。

圖2 微帶線轉(zhuǎn)槽線饋電縫隙等角螺旋天線

圖3 微帶線到槽線轉(zhuǎn)化處電場(chǎng)示意圖

3 縫隙等角螺旋天線仿真與測(cè)試結(jié)果與分析

依據(jù)上述優(yōu)化結(jié)果加工的縫隙等角螺旋天線如圖5所示。采用安捷倫矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀E8363B測(cè)試電壓駐波比(VSWR)。VSWR測(cè)試結(jié)果與仿真結(jié)果如圖6所示。

圖4 不同槽線參數(shù)對(duì)應(yīng)的天線反射系數(shù)仿真結(jié)果

表2微帶線轉(zhuǎn)槽線處各參數(shù)值

變量名變量值(mm) 0.15 0.14 0.20 25.44

由圖6可見(jiàn)在1.4~13 GHz頻段內(nèi)基本上VSWR小于2，實(shí)現(xiàn)了1 : 9的阻抗帶寬，由于仿真天線模型為簡(jiǎn)化模型，仿真結(jié)果與測(cè)試結(jié)果略有偏差。

圖5 縫隙等角螺旋天線實(shí)物圖

待測(cè)天線的軸比(AR)為

測(cè)得不同頻率下天線軸比方向圖如圖8所示。

圖6 縫隙等角螺旋天線駐波比仿真與測(cè)試結(jié)果

圖7 縫隙等角螺旋天線增益測(cè)試結(jié)果

圖8 縫隙等角螺旋天線軸比方向圖測(cè)試結(jié)果

4 帶反射腔的低剖面縫隙等角螺旋天線

被動(dòng)雷達(dá)導(dǎo)引頭探測(cè)前方目標(biāo)需要天線單向輻射。本文所設(shè)計(jì)的縫隙等角螺旋天線，為縫隙輻射即磁流輻射，因此反射腔的高度可以降低。如圖9所示，對(duì)于磁流輻射的天線，反射腔高度的確定可以由鏡像原理來(lái)說(shuō)明。

式中代表導(dǎo)體上方磁流在平面上遠(yuǎn)場(chǎng)輻射方向圖。加入反射腔相當(dāng)于在天線下方加入有限理想導(dǎo)電平面。由式(5)可以看出越小，天線在遠(yuǎn)場(chǎng)輻射越大，當(dāng)為時(shí)天線沿...z方向沒(méi)有輻射。因此相對(duì)于導(dǎo)體輻射天線，縫隙天線的反射腔高度可以顯著降低。但反射腔高度不能無(wú)限度降低，高度很低時(shí)反射腔感應(yīng)的電流會(huì)破壞縫隙天線中電磁場(chǎng)的分布[13]。

5 仿真與測(cè)試結(jié)果分析

圖10 反射腔側(cè)視剖面圖

圖11 反射腔高度對(duì)天線反射系數(shù)的影響仿真結(jié)果

圖12 不同反射腔高度下天線輸入阻抗仿真結(jié)果

圖13 加入吸波材料的反射腔

圖14 天線與帶吸波材料反射腔

圖15 吸波材料寬度對(duì)天線駐波影響測(cè)試結(jié)果

圖16 帶反射腔縫隙等角螺旋天線增益測(cè)試結(jié)果

圖17 帶反射腔縫隙等角螺旋天線軸比方向圖測(cè)試結(jié)果

圖18 帶反射腔縫隙等角螺旋歸一化功率方向圖測(cè)試結(jié)果

6 結(jié)論

本文提出了一種微帶線-槽線饋電的縫隙等角螺旋天線，可作為被動(dòng)雷達(dá)導(dǎo)引頭探測(cè)與跟蹤的天線實(shí)現(xiàn)方案。微帶線-槽線的轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)了將不平衡電場(chǎng)轉(zhuǎn)化為平衡電場(chǎng)。加入帶有矩形環(huán)狀吸波材料的反射腔實(shí)現(xiàn)了天線的單向輻射拓展了天線在低頻段帶寬。文中分析了微帶線-槽線饋電縫隙等角螺旋天線關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)的影響，且天線測(cè)試結(jié)果良好。為該天線在被動(dòng)雷達(dá)導(dǎo)引頭中的應(yīng)用提供了技術(shù)基礎(chǔ)。

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方慶園： 女，1987年生，博士生，研究方向?yàn)楣残翁炀€技術(shù)與共形陣列信號(hào)處理.

金 銘： 男，1968年生，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)槔走_(dá)信息處理及電子對(duì)抗等.

宋立眾： 男，1975年生，博士后，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事天線與微波技術(shù)和雷達(dá)信號(hào)處理等方面的研究.

Design of Slot Equiangular Spiral Antenna Fed by Microstrip to Slotline

Fang Qing-yuan①Jin Ming②Song Li-zhong②Han Yong②Qiao Xiao-lin②

①(,,150001,)②(,,264209,)

Wideband antennas; Passive radar seeker; Slot equiangular spiral antenna; Microstrip to slotline Balun

TN82

A

1009-5896(2014)01-0228-06

10.3724/SP.J.1146.2013.00486

2013-04-15收到，2013-09-10改回

國(guó)家自然科學(xué)基金(61171181)資助課題

金銘 hit0987@sohu.com