具有穩(wěn)定相位中心的雙頻段寬波束天線

王　海,路志勇

(河北遠東通信系統(tǒng)工程有限公司，河北 石家莊　050081)

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具有穩(wěn)定相位中心的雙頻段寬波束天線

王海,路志勇

(河北遠東通信系統(tǒng)工程有限公司，河北 石家莊050081)

天線相位中心是影響系統(tǒng)性能的重要因素之一。對于雙頻段工作且需要寬波束覆蓋的天線，實現(xiàn)穩(wěn)定的相位中心，是一項難度較大的工作。該文設計了一種雙頻段交叉振子結(jié)構(gòu)的天線，每個頻段在上半空間范圍內(nèi)都具有穩(wěn)定的相位中心。對該天線進行了電氣性能仿真并測試，驗證了這種天線具有穩(wěn)定的相位中心。最后指出這種天線可用于導航定位等系統(tǒng)中，具有重要的工程應用價值。

相位中心；雙頻段；寬波束天線

引言

在利用導航定位、測向等系統(tǒng)中，天線相位中心是測量的參考點。天線相位中心的變化直接影響系統(tǒng)的測量精度。通常天線的相位中心與其幾何中心是不一致的,因此,不能把天線的幾何中心認為是天線的相位中心。通常,相位中心并不是固定的,它會隨不同的來波方向發(fā)生移動。但是在導航定位系統(tǒng)中，要求天線工作在多個頻段，并且在很寬的波束范圍內(nèi)天線具有恒定的相位中心，這對天線設計帶來較大難度。筆者采用雙十字交叉結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了雙頻段寬波束天線，并且具有穩(wěn)定的相位中心。

1　相位中心定義

當一個天線被用來做發(fā)射天線時，天線的電相位中心是指電磁輻射等效的輻射源中心(即等效源點)。如果這個源是個理想的點源，相位中心是天線輻射球面波的中心。通常相位中心定義為遠區(qū)輻射場的等相位面與通過天線軸線的平面相交的曲線的曲率中心。從物理現(xiàn)象上解釋，就是天線輻射電磁波等效的輻射源中心，從遠區(qū)場向天線看去，所有的電磁波看上去好像是從相位中心那點發(fā)出的。對于大多數(shù)天線來說，對所有方向都適用的相位中心實際上并不存在，在不同方位角的平面內(nèi)，天線的相位中心將位于不同的點上，同時，在一個方位角的平面內(nèi)，不同仰角范圍對應的相位中心也不在同一點上，這種現(xiàn)象稱為天線的相散，因此通常只能在天線主波束的一定角度范圍內(nèi)近似找到一點，使得遠場相位方向圖的相位波動最小，相位保持相對恒定，這個點稱為天線的視在“相位中心”。相位中心位置與天線的仰角有關(guān)，仰角不同，相位中心位置不同。就GPS天線而言，同一類型天線的相位中心變化趨于一致，但不同類型的天線，其差異較大。性能較好的天線，其相位中心變化最大不超過2mm，一般的天線甚至會超過10mm。

2　仿真設計

2.1主要設計要求

工作頻段為L頻段、S頻段；

增益≥0dBi(上半空間)；

天線相位中心點穩(wěn)定度≤2mm。

2.2仿真設計

為實現(xiàn)上述指標要求，設計了組合交叉振子天線，該天線結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。該天線由L頻段振子、S頻段振子和反射盤組成。L頻段振子與S頻段振子共用同一個反射盤，振子與反射盤之間間距取1/4波長與1/2波長之間，目的是形成正上方略有凹坑的方向圖，這樣有利于展寬天線的波束，實現(xiàn)上半空間的波束覆蓋。由于L頻段與S頻段需要形成相似的方向圖，L頻段振子與反射盤之間間距比S頻段振子與反射盤之間間距要大一些，因此L頻段振子在上面，S頻段振子在下面。為減小兩頻段振子之間的影響，兩頻段的振子錯開45°放置。

圖1　組合交叉振子天線

該天線仿真方向圖如圖2-圖5所示。從幅度方向圖可見，該天線形成了正前方有凹坑的方向圖，這種方向圖更能保證天線的寬波束性能。從相位方向圖可見，該天線在較寬的波束范圍內(nèi)具有穩(wěn)定的相位值。

圖2　L頻段幅度方向圖

圖3　S頻段幅度方向圖

圖4　L頻段相位方向圖

圖5　S頻段相位方向圖

3　相位方向圖的測量及相位中心的標定

相位中心的標定實際上是相位方向圖的測試過程。通常在天線主波束的一定角度范圍內(nèi)，近似找到一點，使得遠場相位方向圖的相位波動最小,這個點即標定好的相位中心。而當轉(zhuǎn)軸置于該點時所測得的遠場相位波動的峰峰值的二分之一所對應的波程距離稱為相位中心穩(wěn)定度，相位中心穩(wěn)定度與相位波動峰峰值之間的關(guān)系為

(1)

式中，Δm為相位中心穩(wěn)定度，Δφ為相位波動的峰峰值，λ為波長。

天線相位方向圖的測量多在微波暗室中進行，這是因為：室內(nèi)測量的優(yōu)點是不受時間、室外環(huán)境的影響，隨時都可以對測量環(huán)境進行復現(xiàn)，測量重復性、復現(xiàn)性好；測量準確度高。

天線相位方向圖測量就是測量待測天線遠場區(qū)球面上的相位。相位是一個相對量，不論在什么情況下，都是將待測信號與基準信號比較得出相對相位值，其測量方法同天線幅度方向圖測量方法類同，測試原理框圖如圖6所示，即通過矢量網(wǎng)絡分析儀測量天線接收信號的相位與參考通道信號相位之比來得到天線的相位方向圖，通過多次測量可測定天線的相位中心。

圖6　矢網(wǎng)法測量天線相位方向圖的原理框圖

矢量網(wǎng)絡分析儀測量天線相位方向圖并標定相位中心的簡單步驟如下：

a)按圖6連接測試系統(tǒng)，被測天線和輔助天線之間的距離滿足遠場條件，測量時應將待測天線安裝在具有垂直水平微調(diào)裝置的天線測試轉(zhuǎn)臺上，待測天線幾何中心與轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)中心重合，輔助天線與待測天線等高，并軸向?qū)剩?/p>

b)合理設置矢量網(wǎng)絡分析儀的工作狀態(tài)，并對矢網(wǎng)進行定標；

c)用天線控制器轉(zhuǎn)動待測天線，矢量網(wǎng)絡分析儀記錄天線相位變化，并用記錄測試結(jié)果；

d)前后移動天線、改變天線的轉(zhuǎn)動中心，多次測量相位方向圖，相位變化最小時的轉(zhuǎn)動中心，就是天線的相位中心。

分別測試S頻段、L頻段的相位方向圖，分別找到相差最小時的位置，測試過程中相位方向圖的變化過程如圖7所示。標定相位中心后，天線相位隨不同入射角變化的結(jié)果見表1。從表1中可見，該天線在S頻段的最大相差8.8°，按照公式(1)可得相位中心穩(wěn)定度為2mm；L頻段的最大相差6.9°，相位中心穩(wěn)定度為1.8mm?？梢姡撎炀€在L頻段和S頻段，均滿足相位中心穩(wěn)定度不大于2mm的指標要求。

圖7　相位方向圖測試過程

法向偏角θ(°)S頻段實測相位(°)L頻段實測相位(°)0-158.293.020-157.594.340-155.395.960-151.897.680-149.499.9

4　結(jié)束語

設計的組合交叉振子天線可實現(xiàn)L與S雙頻段工作，且在兩個工作頻段都具有上半空間覆蓋的寬波束方向圖、不大于2mm穩(wěn)定度的天線相位中心。該天線可用于導航定位等系統(tǒng)中，實現(xiàn)相位中心穩(wěn)定度較高的雙頻段或多頻段天線，具有重要的工程應用價值。

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TheDual-bandWide-beamantennaswithfixedphasecenter

WANGHai,LUZhi-yong

(Hebei Yuandong Communication System Engineering Co.,Ltd.,Shijiazhuang 050081,China)

Thephasecerterisanimportantfactorwhichaffectstheperformanceofthesystem.Itisdifficultforanantennatoworkwithdual-bandandwide-beam,andfixedphasecerter.Thepapergivesanantennawiththecorsseddipolestructure,whichhasthefixedphasecerterinthescopeoftheupperhalfspaceineveryband.Theantennaisemulatedandmeasured,andtheresultscanvalidatethattheantennascanfulfilthedemands.Finally,thepaperpointsthattheantennacanbeusedinnavigationsystem,orientationsystemandsoon,andhasimportantapplicationvalueinengineer.

Fixedphasecenter;Dual-band；Wide-beamantenna

2016-03-21

王海(1975-)，男，河北廊坊人，高級工程師，主要從事天線設計與測試的開發(fā)研究.

1001-9383(2016)02-0057-06

TN820

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