具有稳定相位中心的双频段宽波束天线

王　海,路志勇

(河北远东通信系统工程有限公司，河北 石家庄　050081)



具有稳定相位中心的双频段宽波束天线

王海,路志勇

(河北远东通信系统工程有限公司，河北 石家庄050081)

天线相位中心是影响系统性能的重要因素之一。对于双频段工作且需要宽波束覆盖的天线，实现稳定的相位中心，是一项难度较大的工作。该文设计了一种双频段交叉振子结构的天线，每个频段在上半空间范围内都具有稳定的相位中心。对该天线进行了电气性能仿真并测试，验证了这种天线具有稳定的相位中心。最后指出这种天线可用于导航定位等系统中，具有重要的工程应用价值。

相位中心；双频段；宽波束天线

引言

在利用导航定位、测向等系统中，天线相位中心是测量的参考点。天线相位中心的变化直接影响系统的测量精度。通常天线的相位中心与其几何中心是不一致的,因此,不能把天线的几何中心认为是天线的相位中心。通常,相位中心并不是固定的,它会随不同的来波方向发生移动。但是在导航定位系统中，要求天线工作在多个频段，并且在很宽的波束范围内天线具有恒定的相位中心，这对天线设计带来较大难度。笔者采用双十字交叉结构，实现了双频段宽波束天线，并且具有稳定的相位中心。

1　相位中心定义

当一个天线被用来做发射天线时，天线的电相位中心是指电磁辐射等效的辐射源中心(即等效源点)。如果这个源是个理想的点源，相位中心是天线辐射球面波的中心。通常相位中心定义为远区辐射场的等相位面与通过天线轴线的平面相交的曲线的曲率中心。从物理现象上解释，就是天线辐射电磁波等效的辐射源中心，从远区场向天线看去，所有的电磁波看上去好像是从相位中心那点发出的。对于大多数天线来说，对所有方向都适用的相位中心实际上并不存在，在不同方位角的平面内，天线的相位中心将位于不同的点上，同时，在一个方位角的平面内，不同仰角范围对应的相位中心也不在同一点上，这种现象称为天线的相散，因此通常只能在天线主波束的一定角度范围内近似找到一点，使得远场相位方向图的相位波动最小，相位保持相对恒定，这个点称为天线的视在“相位中心”。相位中心位置与天线的仰角有关，仰角不同，相位中心位置不同。就GPS天线而言，同一类型天线的相位中心变化趋于一致，但不同类型的天线，其差异较大。性能较好的天线，其相位中心变化最大不超过2mm，一般的天线甚至会超过10mm。

2　仿真设计

2.1主要设计要求

工作频段为L频段、S频段；

增益≥0dBi(上半空间)；

天线相位中心点稳定度≤2mm。

2.2仿真设计

为实现上述指标要求，设计了组合交叉振子天线，该天线结构示意图如图1所示。该天线由L频段振子、S频段振子和反射盘组成。L频段振子与S频段振子共用同一个反射盘，振子与反射盘之间间距取1/4波长与1/2波长之间，目的是形成正上方略有凹坑的方向图，这样有利于展宽天线的波束，实现上半空间的波束覆盖。由于L频段与S频段需要形成相似的方向图，L频段振子与反射盘之间间距比S频段振子与反射盘之间间距要大一些，因此L频段振子在上面，S频段振子在下面。为减小两频段振子之间的影响，两频段的振子错开45°放置。

图1　组合交叉振子天线

该天线仿真方向图如图2-图5所示。从幅度方向图可见，该天线形成了正前方有凹坑的方向图，这种方向图更能保证天线的宽波束性能。从相位方向图可见，该天线在较宽的波束范围内具有稳定的相位值。

图2　L频段幅度方向图

图3　S频段幅度方向图

图4　L频段相位方向图

图5　S频段相位方向图

3　相位方向图的测量及相位中心的标定

相位中心的标定实际上是相位方向图的测试过程。通常在天线主波束的一定角度范围内，近似找到一点，使得远场相位方向图的相位波动最小,这个点即标定好的相位中心。而当转轴置于该点时所测得的远场相位波动的峰峰值的二分之一所对应的波程距离称为相位中心稳定度，相位中心稳定度与相位波动峰峰值之间的关系为

(1)

式中，Δm为相位中心稳定度，Δφ为相位波动的峰峰值，λ为波长。

天线相位方向图的测量多在微波暗室中进行，这是因为：室内测量的优点是不受时间、室外环境的影响，随时都可以对测量环境进行复现，测量重复性、复现性好；测量准确度高。

天线相位方向图测量就是测量待测天线远场区球面上的相位。相位是一个相对量，不论在什么情况下，都是将待测信号与基准信号比较得出相对相位值，其测量方法同天线幅度方向图测量方法类同，测试原理框图如图6所示，即通过矢量网络分析仪测量天线接收信号的相位与参考通道信号相位之比来得到天线的相位方向图，通过多次测量可测定天线的相位中心。

图6　矢网法测量天线相位方向图的原理框图

矢量网络分析仪测量天线相位方向图并标定相位中心的简单步骤如下：

a)按图6连接测试系统，被测天线和辅助天线之间的距离满足远场条件，测量时应将待测天线安装在具有垂直水平微调装置的天线测试转台上，待测天线几何中心与转台旋转中心重合，辅助天线与待测天线等高，并轴向对准；

b)合理设置矢量网络分析仪的工作状态，并对矢网进行定标；

c)用天线控制器转动待测天线，矢量网络分析仪记录天线相位变化，并用记录测试结果；

d)前后移动天线、改变天线的转动中心，多次测量相位方向图，相位变化最小时的转动中心，就是天线的相位中心。

分别测试S频段、L频段的相位方向图，分别找到相差最小时的位置，测试过程中相位方向图的变化过程如图7所示。标定相位中心后，天线相位随不同入射角变化的结果见表1。从表1中可见，该天线在S频段的最大相差8.8°，按照公式(1)可得相位中心稳定度为2mm；L频段的最大相差6.9°，相位中心稳定度为1.8mm。可见，该天线在L频段和S频段，均满足相位中心稳定度不大于2mm的指标要求。

图7　相位方向图测试过程

法向偏角θ(°)S频段实测相位(°)L频段实测相位(°)0-158.293.020-157.594.340-155.395.960-151.897.680-149.499.9

4　结束语

设计的组合交叉振子天线可实现L与S双频段工作，且在两个工作频段都具有上半空间覆盖的宽波束方向图、不大于2mm稳定度的天线相位中心。该天线可用于导航定位等系统中，实现相位中心稳定度较高的双频段或多频段天线，具有重要的工程应用价值。

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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，高级工程师，主要从事天线设计与测试的开发研究.

1001-9383(2016)02-0057-06

TN820

A