一种宽带圆极化馈源单元的研制

范 宇，庞亚萍

(1. 中国电子科技集团第三十八研究所，合肥 230088；2. 中国船舶重工集团公司第七二四研究所，南京 211153)

一种宽带圆极化馈源单元的研制

范 宇1，庞亚萍2

(1. 中国电子科技集团第三十八研究所，合肥 230088；2. 中国船舶重工集团公司第七二四研究所，南京 211153)

采用圆锥等角螺旋天线形式，研制了一种宽带圆极化馈源单元，测试了驻波、互耦、方向图、轴比、增益、相位中心。结果表明，在S波段60%带宽内，驻波小于1.78，轴比小于3 dB，增益可达9～10，带内相心稳定，可相扫30°，其重量仅为50 g。该天线是理想的可相扫宽带轻型圆极化馈源单元。

宽带；圆极化；圆锥等角螺旋天线；馈源单元

0 引 言

某电子系统反射面天线需要可相扫的宽带轻型圆极化天线作为馈源线阵中的单元。该馈源单元需要满足如下指标：

(1) 工作频率范围：S波段相对带宽60%；

(2) 圆极化且带内轴比小于4 dB；

(3) 单元驻波：带内≤1.8；

(4) 带内半张角58°边缘电平∈[-25 dB，-13 dB]；

(5) 带内相心稳定，单元组阵后可以相扫30°。

能够工作于宽带的天线通常有以下几种：(1)圆柱螺旋天线，(2)平面等角螺旋天线和平面阿基米德螺旋天线，(3)对数周期天线，(4)脊喇叭天线，(5)圆锥喇叭、波纹喇叭，(6)圆锥等角螺旋天线。圆柱螺旋天线可以组阵，工作于圆极化，但带宽满足不了要求。平面等角螺旋天线和平面阿基米德螺旋天线因为尺寸太大而无法组阵，也不能实现相扫,同时波束太宽，也不能用作馈源。另外，因为它们的双向辐射，需要很复杂的结构甚至降低3 dB效率才能实现单向辐射，这在本系统中是不允许的。对数周期天线是线极化工作，不满足圆极化要求，同时其不同频率的相位中心不同，用作反射面馈源会使得偏焦严重。脊喇叭天线不满足圆极化要求，同时重量太重。圆锥喇叭尺寸太大、重量过重，无法组阵，不能相扫。所有资料显示，只有圆锥等角螺旋天线有可能满足本系统的需要[1-3]。

1 设计过程

圆锥等角螺旋天线属于非频变天线。本设计的圆锥等角螺旋天线主要组成部分是：金属微带螺旋臂、介质支撑、中心馈电巴仑和顶端馈电过渡。

图1 圆锥等角螺旋天线参数图

1.1 金属螺旋臂的设计

如图1，设曲线上一点对应的从圆锥顶点发出的沿锥面的矢径为ρ，D为圆锥下底直径，d为圆锥上底直径，θ0为圆锥半锥角，α为螺旋角，δ为角宽度，则有关系式[2-5]：

ρ=ρ0eφsinθ0/tanα

ρ=ρ0e(φ-δ)sinθ0/tanα

平衡馈电的圆锥等角螺旋天线是由对称的两条螺旋臂构成，它们的边缘分别是[2-5]：

ρ1=ρ0e(1/tgα)sinθ0φ，ρ2=ρ0e(1/tgα)sinθ0(φ-δ)

ρ3=ρ0e(1/tgα)sinθ0(φ-π)，ρ4=ρ0e(1/tgα)sinθ0(φ-π-δ)

设计取δ=90°构成自补对称结构的天线，以获得较小的背瓣。参考文献[2,4]指出减小2θ0和增大α均可使波束变窄，并给出了增益和波束宽度曲线。当天线顶端馈电后，根据近场幅度的分布，全锥大致分成3个区域：当圆锥的半径和波长之比很小时，称为传输区；当该比值很大时，称为终端未激励区；介于这两者间的区域称为有效辐射区。去掉高频端电流下降3 dB和低频端电流下降15 dB的圆锥部分，对天线的性能没有多大的影响。参考文献[2,4]给出了下底直径D和上底直径d的参考数据。

1.2 宽带巴仑的设计

因为这种天线是一种对称结构，在锥顶需要采用平衡馈电。在锥顶馈电时，这种天线是沿着锥顶方向辐射的[2-5]。设计的宽带巴仑中，50 Ω的同轴线与50 Ω的微带线相连，微带线再通过一段指数变换实现两个功能：(1) 将非平衡结构的微带线变换成平衡结构的平行双线，(2)将特征阻抗为50 Ω的传输线变换成特征阻抗为165 Ω的传输线。通过仿真和试验验证，该天线的辐射阻抗接近165 Ω。对于天线而言，巴仑的外形大小需要选择合适，既保证巴仑有一定的强度又要使得巴仑在天线内部的安装孔不能太大，以保证天线的结构强度。巴仑驻波仿真结果：在频带0.34～10 GHz内，驻波≤1.3，达29个倍频程。

图2 宽带巴仑模型

1.3 顶端馈电过渡设计

中心馈电巴仑和螺旋线的双臂之间连接要尽量平稳﹑少突变，同时还需要较高的可靠性。在研制设计过程中，轴比不好是一大难点。笔者在顶端馈电过渡部分寻求改善轴比的办法，曾分别选用3种过渡结构做实验：(a)扇形过渡馈电结构，(b)半球形螺旋馈电过渡结构，(c)平面螺旋馈电过渡结构。经过试验，发现半球形螺旋馈电过渡和平面螺旋馈电过渡对天线轴比没有明显的改善。最终采用扇形馈电过渡结构。扇形馈电过渡结构微带线的两个外末端边缘与圆锥等角螺旋天线的两个臂焊接；中心有一个2 mm×4 mm的非金属化矩形孔，用于与微带balun的上面尖端相连接。

1.4 支撑的设计

笔者曾经试着分别采用环氧玻璃、聚四氟乙烯和泡沫作支撑材料。实验证明，全环氧玻璃或聚四氟乙烯支撑使得轴比变差，波束变宽，只有支撑主体是泡沫才能满足电性能要求，但全泡沫支撑不牢靠，可靠性差。综上考虑设计出了一种以环氧玻璃布为过渡的泡沫支撑结构，支撑使用大部分泡沫结合部分环氧玻璃棒。支撑的主体为泡沫利于减轻重量，插入到下端少量的环氧玻璃棒里面。环氧玻璃棒有利于固定，可靠性较高。在底部再使用一环氧玻璃薄板固定SMA接头，进一步提高系统的可靠性。

1.5 天线仿真和制作

因为本天线属于电大模型，采用FEKO进行仿真优化结构尺寸。为了缩小计算量，以细线模拟微带金属双臂进行仿真，模型示意如图3。

图3 细线模拟双臂的模型

因为计算量太大难以准确考虑介质支撑的情况，进而导致仿真结果与实际结果有差异。当天线参数为α=80°、θ0=3.5°、D=40 mm 、d=8 mm时的方向图和轴比仿真结果如图4、图5所示，其中轴比是短轴比长轴的数值，取分贝值。

图4 天线方向图

图5 天线轴比

考虑到完全准确仿真天线很困难，通过较多的试验，最终设计出了满足可相扫宽带轻型圆极化馈源单元各项指标要求的天线。天线尺寸为：δ=90°，α=80°，θ0=3.5°，D=44.4 mm，d=12.4 mm，实物照片如图6所示，重量只有50 g。

图6 圆锥等角螺旋天线实物

2 天线电讯性能测试结果

2.1 驻波测试结果

天线驻波测试结果见图7。在f0-1.2 GHz到f0+1.2 GHz频率范围内，该天线驻波小于1.78；由天线单元组阵中相邻两个单元S21曲线(互耦曲线)在工作频带内小于-30 dB。可见互耦很小，所以由该天线单元组阵后单元方向图和轴比不会有太大的恶化。

2.2 天线方向图测试

天线方向图的测试频点取为：在S波段中心频点f0-1.2 GHz到f0+1.2 GHz每隔0.2 GHz测一点，极化形式为圆极化。其中具代表性的3个频点的方向图和轴比测试结果见图8(a)～(c)。图中，“cp”表示原始数据，“pingjun”表示拟合曲线，“ar”表示轴比值，这里定义轴比是椭圆极化的短轴比长轴。

图7 天线驻波和互耦测试结果

由图8可见，天线副瓣很低，法向轴比小。天线法向轴比在f0-1.2 GHz到f0+1.2 GHz内小于3 dB，并且天线轴比在法向附近较宽的角域内都比较小。天线主瓣宽度在宽频段内的一致性很好。

(a) 天线f0-1.2 GHz频点方向图

(b) 天线f0频点方向图

(c) 天线f0+1.2 GHz频点方向图

表1 半张角为58°的边缘电平和-3 dB覆盖角度

从表1可以看出，天线的-3 dB覆盖在法向左右都大于15°，可见天线满足扫描30°的要求；带内半张角58°边缘电平∈[-25 dB，-13 dB]，故天线在本系统中作馈源可以满足系统的要求。

2.3 相位中心的测试

因为天线是圆极化工作，分别测试了水平极化和垂直极化的情况。图9是垂直极化的相位方向图测试结果。由图9可见，每个频点相位曲线在波束主瓣内几乎都平稳，各个频率在±40°范围内相位差<30°。可以认为天线在各个频点的相位中心近似一致。同样，对于测试的水平极化的相位方向图也有类似的结论。相位曲线有一定的起伏和不平，分析有以下几个方面的原因：(1)现有测试条件难以精确地将天线的相位中心和转台旋转中心完全重合；(2)天线本身加工公差等因素使相位曲线在主瓣内不是绝对平直线；(3)圆极化天线轴比不为0 dB并且在不同角度轴比不同,则其垂直极化和水平极化相位曲线在主瓣内会有起伏；(4)天线在不同频率的理论相位中心有较小的位置差。

图9 垂直极化相位曲线

2.4 增益测试

在微波暗室采用双天线法测试增益，结果如表2所示。可见,在该宽频带内天线增益较高。

表2 天线的增益测试结果

3 结束语

通过比较多种天线方案，确定采用双臂圆锥等角螺旋天线形式，通过反复多次试验和仿真相结合的办法研制出满足要求的馈源天线单元。经过测试表明，该天线驻波小、副瓣低、轴比小；天线主瓣宽度在宽频段内的一致性很好；带内相位中心稳定，满足馈电半张角为58°时边缘电平-15 dB左右, 主波瓣 -3 dB覆盖大于30°，重量仅50 g，可见该天线是理想的可相扫宽带轻型圆极化馈源。

[1] JENNINGS W E, CLARK A R. An Investigation into the Properties and Limits of Quasi-Taper Helical Atennas[J]. IEEE Antennas and Propagation Society Symposium, 2004: 2903-2906 .

[2] 林昌禄. 天线工程手册[M].北京：电子工业出版社, 2002(6).

[3] 约翰·克劳斯.天线[M]. 章文勋译.北京：电子工业出版社, 2004(4).

[4] JOHN D DYSON. The Characteristics and Design of the Conical Log-Spiral Antenna[J]. IEEE TRANSACTIONS ON ANTENNAS AND PROPAGATION, 1965(7): 488-499.

[5] Thorsten W Hertel, Glenn S Smith. Analysis and Design of Two-Arm Conical Spiral Antennas[J]. IEEE TRANSACTIONS ON ELECTROMAGNETIC COMPATIBILITY, 2002,44(1):25-37.

Development of a broadband circular polarization feed unit

FAN Yu, PANG Ya-ping

(1. No.38 Research Institute of CETC, Hefei 230088; 2. No.724 Research Institute of CSIC, Nanjing 211153)

A broadband circular polarization feed unit is developed in the form of conical equiangular spiral antenna, and the VSWR, mutual coupling, pattern, axial ratio, gain, and phase center are tested respectively. The results show that the VSWR is less than 1.78, the axial ratio is less than 3 dB, the gain is approximately between 9 and 10, the phase center is stable, the phase scanning is 30°, and the weight is only 50 g within the bandwidth of 60% at S band. The antenna is a ideal lightweight broadband circular polarization feed unit with phase scanning.

broadband; circular polarization; conical equiangular spiral antenna; feed unit

2014-06-04

范宇(1975-)，男，高级工程师，硕士，研究方向：天馈线设计；庞亚萍(1972-)，女，工程师，研究方向：仿真技术。

TN822

A

1009-0401(2014)03-0030-05