一种机载宽频带轻量化双偶极子测量天线设计*

双巧玲，张巨勇，刘靖鑫，吴锋泉，严瑞斌，李春光，陈志平

(1. 杭州电子科技大学, 浙江 杭州 310018; 2. 中国科学院国家天文台， 北京 100012)

引 言

天线辐射特性测量是天线研制与运行检验的重要环节。一般天线测量系统主要包括3个部分：射频(RF)部分、机械部分(扫描架、转台和控制器)和工作站部分(软件数据处理)[1]。其中，射频部分为发射端与接收端，传统的机械部分是指测试转台或扫描架。本文的研究对象是用小型旋翼无人机取代传统测试转台后位于无人机上的信号发射端天线。

文献[2-4]利用小型旋翼无人飞机开展了SKA低窄频天线辐射特性测量实验，其机载发射天线均是结构简单的单偶极子天线；文献[5]采用双脊喇叭天线作为机载发射天线，该双脊喇叭天线具有较宽的频带，但因是线极化天线，在测量时必须沿待测面进行垂直交叉2次采样，效率较低。

小型旋翼无人机携载质量会直接影响飞行所需的拉力，对多旋翼无人机而言，是螺旋桨的转速，进而影响无人机的飞行功率，从而对电池的续航时间造成影响[6]。因此，基于小型旋翼无人机平台的测试天线需要轻量化，以便无人机能够携带且尽可能地延长无人机测试的续航时间。本文将基于小型旋翼无人机平台测试系统，根据被测天线在650～1 400 MHz频带内的双极化测试需求，进行机载信号发射天线的宽频带、双极化及结构轻量化的设计研究。

1 双偶极子天线总体结构设计

1.1 设计指标

机载发射天线要满足2个方面的设计要求：天线电性能和辐射性能要求；载机对天线质量轻量化的要求。根据天线测量原理,发射天线的电性能要与被测天线匹配。被测天线是工作波段为650～1 400 MHz的双极化蝶形天线[7]。为了在测试时使收发天线匹配，机载发射天线应具有以下性能指标：1) 具有圆极化或双线极化。只有发射天线和被测天线的极化相同时才能达到极化匹配,减少极化损失；2) 工作频率为650～1 400 MHz,且在带宽内的电压驻波比要小于2.5；3)E面和H面远场辐射方向图等化性好，方向性相对恒定，波束稳定。

小型旋翼无人机的携载能力有限，且随着携载质量的增加，其续航时间会相应地减少，还会对飞行平稳性造成影响，继而可能影响空中测试点的位姿精度。

图1是某小型旋翼无人机负载与续航时间的关系图。

图1 无人机续航时间与负载变化关系图

该款无人机的最大上升速度为5 m/s，下降速度为3 m/s。假定机载天线要在距地面500 m的高度进行测试，为保证无人机的有效测量时间在20 min以上，携载的测试发射端总质量就应在3 kg之内。测试发射端设备除发射天线之外，还有电源、噪声信号源及位姿测量等设备与器件。根据各器件质量的分配设计，该发射天线结构总质量需控制在1 kg之内。

1.2 天线总体结构设计

该天线结构如图2所示，主要由2个偶极子单元和反射腔体组成。2个正交放置的偶极子天线单元作为天线辐射体，实现双线极化。每个偶极子单元由一对偶极子臂及对应的馈电部分组成，偶极子臂的形状为多边形板，相对于线型偶极子，采用这种结构可以扩大阻抗匹配范围，进而拓宽带宽。反射腔由反射底板和圆筒侧壁组成，2个偶极子单元共用一个反射底板,交叉馈电。

图2 双偶极子天线结构示意图

2 双偶极子天线馈电部分设计

该双偶极子天线的馈电形式如图3所示。馈电部分由支撑管和同轴电缆线组成。该天线采用50 Ω的同轴电缆馈电，同轴电缆在传输TEM波时，其内导体和外导体内表面的电流大小相等，相位相反。馈电时，偶极子的一臂与同轴电缆的内导体相连，电流为I1；另一臂与同轴电缆的外导体相连，外导体内表面的电流I2绝大部分传到偶极子臂上，还有一部分流到外导体的外表面上，这样就会导致偶极子两臂上的电流不相等，出现不平衡现象。另外，流到同轴电缆外导体外表面的电流还会产生附加辐射和损耗。

为了消除同轴电缆馈电引起的不平衡现象，在偶极子天线中加入巴伦结构。如图3所示，A-C,B-D分别是2对偶极子，2个天线十字交叉放置。采用长度为中心频率的1/4工作波长的铜管作为偶极子臂的支撑管，铜管的直径接近馈线同轴电缆外导体的直径，这样铜管在作为支撑管的同时，也起到了同轴电缆外导体的作用。

图3 双偶极子天线馈电结构示意图(不含圆筒侧壁)

双偶极子天线工作的中心频率为900 MHz,由λ=c/f(c为电磁波的速度，即光速；f为电磁波的频率)得波长λ= 334 mm。如图3所示,设计的双偶极子天线馈电部分的主要尺寸：L1= 0.262λ,L2= 0.087λ,L3= 0.064λ,L4= 0.100λ,W1= 0.078λ,W2= 0.005λ,H= 0.250λ(L1～L4为偶极子臂的边长，H为支撑管的高度，W1为两支撑管的中心距离，W2为相邻偶极子臂的间隙)。

就其中一个偶极子天线A-C而言，A臂接外导体，即这里的支撑管；同轴电缆的内导体穿过与A臂相连的支撑管和A臂上的孔，通过与支撑管同轴配合的十字连接件上面的凹槽到C臂，再通过馈电片与C臂电联通，此处为第一馈电端口。与C臂相连的支撑管下端与反射底板相连，使与A臂相连的支撑管短路，以抑制同轴线外导体外表面的电流，使A、C两臂上的电流相等，于是与C管相连的支撑管反射底板起到把不平衡转化为平衡的巴伦作用。此时,A、C两臂上的电流大小相等，方向相反，由于两臂的总长为半波长，所以两臂末端的电流相位正好相差180°。A-C构成了天线的一个极化方向，另一个偶极子B-D采用相同的方式馈电，构成了另一个极化方向，2个极化方向互相垂直，实现了双极化。

3 双偶极子天线轻量化设计

本文设计的天线主要在测量时使用,与室外常用固定的天线不同，该天线不需要持续地在室外服役。考虑到无人机不会在风雨天气等恶劣条件下飞行测量,即该发射天线在工作时受到的环境载荷较小，因此天线结构的强度可适当降低，腔体构件可实行薄化设计。

该天线若按传统结构选材方案，反射腔将采用黄铜材料，其密度为8 500 kg/m3，若按设计尺寸，质量将达到1.74 kg，再加上双偶极子单元的质量，总质量就不能满足机载发射天线的指标要求。因此必须优化天线结构，进行轻量化设计。

为了满足天线的轻量化要求，下面从材料和结构2方面对天线的反射腔体进行改进设计。

PA6的强度和硬度高，耐热，耐老化，机加工性能好，且密度仅为1 150 kg/m3，同样的形状大小，PA6反射腔的重量仅为黄铜底板的13.5%，可满足轻量化设计要求，但PA6反射效果很差。铜箔具有低表面氧化特性，可以与各种不同基材表面贴合。因此，综合PA6与铜箔的特点，对天线的结构和材料进行轻量化处理。图4和图5分别为天线原结构示意图和“铜箔+PA6”结构示意图。

图4 天线原结构示意图

图5 “铜箔+PA6”结构示意图

因载机对质量的要求，对天线强度要求不需要很苛刻，能符合测量使用要求即可,因此采用贴铜箔的PA6结构能够满足机载天线的强度要求。考虑到贴铜箔的可操作性和随着使用次数的增加铜箔与PA6的黏贴性能下降而需要替换的情况，进一步把铜管与反射底板的连接方式由永久性(图4)改为可拆卸的(图5)，铜管不是直接焊接到反射底板上，而是先与接地圆环连接，接地圆环再通过螺栓与反射底板连接。在制作天线时，可以先在2 mm厚的PA6底板上敷一层厚度仅为0.1 mm的铜箔，这样可避免铜箔的平整度由于中间铜管位置的干涉而受到影响，接地圆环与反射底板、圆筒侧壁与反射底板均采用螺栓的连接方式以方便拆卸替换。轻量化设计后整个天线的质量为0.541 kg，满足载机对质量的要求。

4 双偶极子天线仿真分析

将双偶极子天线的模型导入CST软件作适当简化,反射腔采用“铜箔+PA6”设计,如图6所示。采用离散端口馈电,输入阻抗值与馈电线的特性阻抗相同，皆为50 Ω。扫描的频率范围设为650 ～1 400 MHz。

图6 仿真简化模型

图7、图8和图9分别为双偶极子天线的回波损耗曲线、电压驻波比曲线以及在各频点处的E面和H面方向图。

图7 双偶极子天线的回波损耗曲线

图8 双偶极子天线的电压驻波比曲线

图9 双偶极子天线在各频点处的E面和H面方向图

从图7天线的回波损耗图可以看出，在650 ～1 400 MHz的频带内天线的反射系数S11值均小于-8 dB，2个偶极子间交叉极化值S21在-55 dB以下,说明2个偶极子天线单元具有很好的隔离度。从图8双偶极子天线2个激励端口的电压驻波比的曲线可以看出，在650 ～1 400 MHz的频带内，电压驻波比小于2.5，表明该天线能在一个宽频带内工作。

从图9可以看出：在各频点处，天线的最大增益是相同的，并且增益值随频率的增加而变大。在850 MHz、950 MHz、1 050 MHz和1 150 MHz频点处，E面方向图和H面方向图的半功率波束宽度几乎相同，说明等化性相对更好。

综上所述，可以看出双偶极子天线在650 ～1 400 MHz的宽频带内具有良好的电性能和辐射特性，满足对宽频带、双极化天线测量的要求。根据仿真优化的数据制作好的机载双偶极子天线实物如图10所示。

图10 机载双偶极子天线实物样机照片

5 结束语

本文设计的双偶极子天线采用十字交叉的双偶极子天线单元，实现了双极化；“PA6+铜箔”的反射腔设计使最终天线的质量降到0.6 kg以下，实现了轻量化的机载要求。仿真结果表明，双偶极子天线在650 ～1 400 MHz的宽频带内有良好的电性能和辐射特性，满足对宽频带、双极化天线测量的要求。下一步将对天线进行电性能和辐射性能测试。