一种新型宽频带近场测试系统双极化探头设计

于慧娟 ,杨顺平,何海丹

(中国西南电子技术研究所,成都610036)

1 引 言

近场测量方法是天线测量的重要手段,它可以在近距离获得天线的远场性能参数,是天线辐射特性测试的重要方法。在近场测试系统的设计过程中,探头对近场测试系统电气性能有很大影响[1]。近场测试系统的探头在照射角范围内,远场辐射方向图需要具有良好的轴对称特性,方向图的E面和H面尽量平坦且具有较低的交叉极化。目前,近场测量系统中的双极化测量主要通过两种方式来实现:一是利用单极化探头的机械转动来实现双极化;二是直接利用双极化探头实现。

双极化探头在测试过程中不需要机械调节,具有测试方便、测试速度快的优点,但要求探头具备低交叉极化、宽频带特性以及小的口径尺寸。为实现这些特性,该类探头设计难度大,设计成本高。双极化探头常采用平衡馈电和非平衡馈电两种形式。平衡馈电探头易实现宽频带低交叉极化特性,但其馈电结构复杂,常常需要宽频带高性能的电桥实现。宽频带电桥设计本身就存在难度,特别在毫米波频段,连接电桥和天线馈电端电缆的相位差更难以控制。因此,这种形式的探头很难在毫米波段实现[2]。非平衡馈电探头虽然解决了馈电复杂的问题,但其很难做到宽频带内的低交叉极化特性。

国外针对工作在18～40 GHz这个频段,已经设计出该类探头。但其采用两个可更换的口径实现,且采用平衡馈电的方法对探头馈电。这种方案以目前国内的加工能力,很难保证探头馈电的一致性。而馈电一致性的好坏对探头的交叉极化性能影响严重。因此,本文基于国内加工情况的基础上,提出一种馈电简单的非平衡馈电形式的双极化宽带探头。本文采用四脊喇叭这种宽频带天线形式,很好地解决了天线的带宽问题。同时在四脊喇叭的两馈电脊间添加隔板,使其在18～40 GHz频带范围内主辐射方向交叉极化低于-40 dB,同时波瓣内也具有较好的交叉极化特性。本探头口径为11 mm×11 mm,工作带宽达到了75.8%,实现了小口径的宽频带低交叉极化特性,是一款近场测试系统中高性能探头。

2 天线结构与设计分析

为了实现宽频带特性,本文采用四脊喇叭这种宽频带天线形式,再加以改进得到满足性能的新型式探头。具体的设计思路是先设计方双脊喇叭,再将设计好的脊复制在另外两面喇叭光壁上形成方四脊喇叭初步模型。最后在初步模型基础上,加以改进,降低天线的交叉极化。

2.1 四脊喇叭设计

双脊喇叭通常由后腔、激励器和辐射段组成的,并用50 Ψ的同轴线馈电。图1为双脊喇叭的示意图。为了具备良好的阻抗渐变效果,脊曲线一般采取指数形式[3-8]。

图1 双脊喇叭示意图Fig.1 The geometry of the ridge horn

设双脊间的距离为2y,由中线起算为 y,则 y与轴向距离z的关系按指数关系变化。在此基础上,附加一次线性项,可以扩展喇叭的下限频率,从而达到拓展频带,减小口径的作用。

脊曲线方程为

式中,A、B、C为常数。C一般取0.02左右为最佳。A=y(0)=d/2,d为脊间距。设脊喇叭长度为L,则

要想得到B的初值,要先确定喇叭段全长L和喇叭口面边长g的初值:为了得到较宽的带宽,L一般不小于最低频率波长的一半。在喇叭开口附近,脊的长度已经变得很小,喇叭的横截面与普通波导的横截面相近。此时为了满足TE10模传播条件,开口面边长要大于最低频率波长的一半。

指数双脊喇叭还有一个后腔,是为了达到喇叭匹配作用的,后腔长度 L1约为 λm/4～ λm/8。此外脊喇叭性能还与脊宽度s、脊间距d、脊后腔宽度a、高度b有关。一般选取上述参数关系为:s/a=0.1,d/b=0.1,λTE10c/a=3.97。针对本文探头的工作频率,令fTE10c=17GHz得到双脊喇叭的初值。至此,双脊喇叭的全部参数的初值已设计完成,将设计好的一对脊复制到剩下的喇叭光壁上即得到四脊喇叭天线的初步模型。

2.2 天线优化设计

一般脊喇叭的交叉极化在-20 dB左右,为了降低天线的交叉极化特性,本文采用在两脊馈电间加入隔板的形式,隔板长度为L2。当一种极化被激励时,由于隔板的存在,有效抑制了其正交极化方向的场,故可降低天线的交叉极化。但同时由于隔板的存在,破坏了四脊喇叭原来的匹配,因此需要优化隔板的位置、长度、后腔的结构,同时需要优化脊喇叭的馈电位置。

由于此探头工作在毫米波频段,尺寸过小,脊喇叭馈电端实现成为加工的难题。本文为了实现探头加工,天线采用图2所示的馈电结构。这种馈电结构将连接器的探针上添加了外导体,模拟50 Ψ传输线,这样解决了脊喇叭由于脊厚度过小,在脊上打洞目前加工无法实现的问题。由于连接器上的外导体直径大于脊喇叭脊的宽度,会使方向图出现不对称的趋势。优化连接器上探针外导体的长度,使其在加工实现和性能上得到最优的结果。

图2 改进后天线结构示意图Fig.2 The structure of the improved antenna

使用Ansoft HFSS12软件对天线进行优化,得到满足性能的天线参数,各参数如表1所示。图3给出了几个典型频点的方向图仿真结果。

表1 改进后四脊喇叭主要结构参数Table 1 The mainparameters of the improved quadruple-ridge horn

图3 探头各典型频点两端口主极化与交叉极化方向图仿真结果Fig.3 The simulation results of the radiation pattern of the antenna operating in the main-polarization and cross-polarazation with different typical frequencies

3 实验结果及分析

按照上述方法,对双极化近场测试系统探头进行了加工。该探头的尺寸为103 mm×11 mm×11 mm,工作频带为18～40 GHz。图4给出了此探头在18 GHz、25GHz、30 GHz、35 GHz、40 GHz两个端口的主极化和交叉极化的测试曲线,这几个频点主辐射方向的交叉极化性能总结如表2所示。从测试结果可以看出,该探头在18～40 GHz频带内主辐射方向上的交叉极化低于-40 dB,测试结果与仿真结果吻合较好。采用文中提出的馈电方式,探头的主极化方向图在波瓣内仍具有良好的对称性,满足工作带宽的要求,并且该探头在波瓣范围内仍旧具有良好的低交叉极化特性。可见,该方法可以有效解决加工问题,且不影响其性能。

表2 探头交叉极化测试结果Table 2The measurement results of the cross-polarization

图4 探头在18 GHz、25 GHz、30 GHz、35 GHz和40 GHz两端口主极化与交叉极化方向图Fig.4 The measurement results of the radiation pattern of the antenna operating in the main-polarization and cross-polarazation with 18 GHz,25 GHz,30GHz,35 GHz and 40 GHz

4 结 论

本文设计了一个小口径双极化近场测试系统宽频带低交叉极化探头,测试结果表明该探头工作带宽达到75.8%,在工频带内最大辐射方向上的交叉极化低于-40 dB,并且在波瓣范围内都具有良好的低交叉极化特性。该探头的创新点在于,对传统的四脊喇叭天线进行改进,在两脊馈电端增加极化隔板,降低其交叉极化特性。同时,为使该方案在毫米波频段实现,本文还针对加工中难以实现的馈电形式提出解决方法,使理想的仿真模型在工程上得以实现。该天线已作为近场测试系统探头,应用于工程实测中。

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