新型巴伦的设计与应用

张国龙

（南京电子技术研究所 江苏省南京市 210039）

电子对抗是敌对双方为削弱、破坏敌对电子设备的使用效能、保障己方电子设备发挥效能而采取的各种电子措施和行动，又称电子战。电子对抗又分为三个方面：电子干扰、电子防御、电子对抗侦查[1-3]。随着科技的不断发展，电子技术在未来军事化战争中越来越不可取代，而电子对抗能力逐渐成为衡量国家军事实力的一个标准。

电子对抗技术的发展离不开雷达技术的提升，而雷达截获能力以及截获效率的提升离不开雷达带宽的提升，所以发展电子对抗技术的关键就是突破带宽问题，即寻找超带宽天线，完成多频带覆盖。

“宽带”是带宽的一个相对度量，如果一个天线可以满足大于等于一个倍频程的情况下，天线的阻抗和方向图等性能都没有发生显著的变化，那么就将其归类为宽带天线。电子对抗天线从对天线的覆盖面积看，要提升天线增益和高仰角增益，得到圆极化性能较好的、非频变天线。在电子对抗应用中定向天线通常是平面螺旋天线、对数周期天线、喇叭天线和反射面天线。其中能拥有小型化、易共形等特点只有螺旋天线，所以在小型化、集成化、一体化为潮流的电子信息时代，螺旋天线更有发展前景。

微带巴伦作为螺旋天线馈电系统中的重要元件，它的长度直接影响到螺旋天线的剖面厚度，传统巴伦长度约为λmax/2，而其宽度一般取5mm，但其实天线的辐射器半径就很大，巴伦的宽度，基本有很大的提升空间，但如果我们能把指数变换的微带渐变线变曲折或者直接做到一个与辐射器平行的介质基板上，在用一段微带线将其连接，这样就可以大幅降低巴伦的长度，降低剖面厚度。

1 理论分析

1.1 巴伦设计原理

巴伦有平衡端与非平衡端转换的作用，还有阻抗变换的作用，我们通常用到的巴伦有同轴切削巴伦和微带渐变巴伦。同轴切削巴伦能满足的带宽要更大，但加工、组装都更麻烦，所以一般选用微带渐变巴伦。微带渐变巴伦起源于多节λ ⁄4 线变换器，如图1所示。

图1：多节λ ⁄4 线变换器

其主线的特性阻抗为ΖC，终端负载为RL，每节的长度为λ0⁄4，特性阻抗分别为Ζ1，Ζ2，Ζ3，…，ΖN，在每一节不连续处的电压波反射系数分别为Γ0，Γ1，Γ2，…ΓN-1，ΓN。则通过近似，输入端反射系数可表示为各个不连续处产生反射的叠加，即

式中：

如果变换器是对称的，式（1）可简化为：

合适的选择Ζ1，Ζ2，Ζ3，…，ΖN可以实现宽频带特性。一般选择最平坦型和切比雪夫型两种响应[4]。

图2 为渐变线阻抗变换器，和我们设计中用到的微带渐变巴伦是相同的，当把阶梯阻抗变换器中的每一段四分之一波长微带线等效为无限小微带线dx时，就得到我们的渐变线，输入端的反射系数：

图2：渐变线阻抗变换器

宽带巴伦在我们后面的设计中很重要，微带渐变巴伦已经有效的减小了传统巴伦设计的尺寸，但在后面的设计中将介质板正反面的微带渐变线，通过曲折指数变换的方法，更加优化了巴伦设计的长度，为天线小型化做了进一步的推进。

2 新型巴伦建模

2.1 曲折型巴伦建模

在设计中我们将传统巴伦的微带指数渐变线从一段拆分成了四段，每一段为单独的指数渐变线，其间用等长的渐变四分之一圆弧代替，这样同样的巴伦长度下，渐变线的可变空间就大了许多。根据理论调节巴伦参数，最后得优化后参数，建好模型见图3。

图3：曲折型巴伦模型侧面图

仿真该模型，我们得到该巴伦仿真的S 参数，结果如图4，S11 及S22 都小于-17dB，S21 及S12 都近乎为零，可见损耗很小，性能优异。

图4：曲折型微带渐变巴伦S 参数

2.2 圆环型巴伦建模

圆环型巴伦的设计是将巴伦的微带渐变线做到了一个圆盘介质板上了，其在介质板上也是以指数变化的，建好模型如图5。

图5：圆环型巴伦模型图

我们得到该巴伦仿真的两端口处阻抗，结果如图6和图7，接同轴端阻抗可达50，接辐射器端阻抗为63，且虚部较好，完全可以达到阻抗变换的目的。

图6：圆环型巴伦输出阻抗Smith 圆图

图7：圆环型巴伦输入阻抗Smith 圆图

3 仿真及实物设计与对比

3.1 传统C波段天线设计

根据天线理论1.25λmax≤2πR得到R ≥14.92mm，而天线馈电间距2r0<λmin/4 得到r0≤6.25mm，巴伦长度应为L=λmax/4 即为18.75mm。天线的增长率a 取1.584，圈数取8.25 圈，臂宽取4.2mm，巴伦的平衡端与非平衡端用CST MWS 中自带的求解器可求得，平衡端的宽度为0.9mm，非平衡端金属宽度为2.6mm，非平衡端地板宽度为5mm，为提高天线的增益，经优化天线的外径为52mm，巴伦长度为18mm。建好模型图如图8，制作天线实物图见9，(a)为正面图，(b)为侧面图。

图8：传统C 波段天线仿真模型图

图9：天线实物图

由图10 和图11 可见天线的回波损耗全频段大于-14dB，驻波比全频段小于1.6，匹配良好。

图10：天线测试回波损耗

图11：天线测试驻波比

由图12 和图13 可见天线的增益在全频段满足大于5dBi，轴比全频段小于3dB。天线4GHz、5GHz、6GHz的方向图呈现天线圆极化特性良好。

图12：天线测试增益

图13：天线测试轴比

3.2 新型C波段天线设计

新型天线的模型如图14，我们采用与传统C 波段天线相同的辐射器，将3.4.1 小节中设计的巴伦，通过改进与天线辐射器协同仿真优化，可见巴伦的形状比正常模型少做了两个曲折线，天线整体长度变为了13mm，降为原来巴伦长度的70%，很大程度提高了天线的小型化能力，新模型没有加背腔，主要原因是天线设计的巴伦馈电变为横向馈电，但如果加腔体无法馈电，同时腔体厚度还做不到13mm，会影响最后测试的电综合性能。

图14：新型C 波段Hz 模型图

图15 为新型C 波段天线的实物图，由于没加背腔，拿泡沫做支撑，巴伦的长度很小，相对传统天线有很大改进。

图15：新型C 波段实物图

图16 和图17 为新型天线回波损耗和驻波比的测试图，由图得天线全频段小于-15dB，驻波比全频段小于1.35。图18 和图19 为新型天线增益和轴比的测试图，可见天线全频段大于3.5dBi，轴比全频段小于2dB，性能良好。方向图也显示了新型C 波段天线优良的圆极化性能，对比传统天线与新型天线，巴伦长度上新型天线降低了30%左右，天线的各个电性能也都很好，可见曲折型巴伦和圆环型巴伦对将来降低剖面有很大的意义。

图16：天线测试回波损耗

图17：天线测试驻波比

图18：新型天线测试增益

图19：新型天线测试轴比

4 结束语

本文介绍了新型巴伦设计制作与应用。设计制作了更小型化的曲折型巴伦以及圆环型巴伦，针对巴伦的应用进行分析，并设计制作了传统C 波段天线与新型C波段天线进行对比。从测试结果可以看出新型C 波段在巴伦降低30%的情况下，性能比较优良，此次尝试为将来把曲折型和圆环型巴伦应用到更多频段的天线中，降低天线剖面，提高小型化能力做了基础。