微带巴伦馈电圆锥正弦天线设计与实验

宋立众 乔晓林 叶 准

（哈尔滨工业大学（威海），山东 威海 264209）

引 言

被动雷达导引头是一种应用于导弹武器中的宽带雷达系统。被动雷达导引头因其具有隐蔽性好、抗干扰能力强等优点而在现代战争中备受青睐［1］。传统被动雷达导引头的天线系统多采用圆极化超宽带天线［2］，例如平面或圆锥等角螺旋天线、平面阿基米德螺旋天线等，这些天线均具有宽频带、圆极化和宽波束性能［3-7］。极化被动雷达导引头是一种新型雷达导引头，它通过双极化天线系统感知电磁辐射信号的幅度、相位、到达角和极化的完整信息，可以进一步提高雷达导引头的信号检测和抗干扰性能，在电子战性能等方面具有明显的优越性。宽带双极化天线系统是极化被动雷达导引头的关键技术。四臂正弦天线是一种性能优良的天线形式，该天线具有极宽的工作频带、恒定的波束宽度、双极化工作模式等特性［8-11］，因而在被动雷达导引头领域极具吸引力。传统的正弦天线为平面结构，它由若干个位于介质表面的对称金属臂组成，具有双向辐射的方向图［12］。为实现单向辐射，往往需要在天线后向加一装有吸波材料的金属背腔。圆锥正弦天线是另一种正弦天线形式，其优点是可以提高天线辐射方向图的前后比［13］。在正弦天线的设计中，馈电结构的设计尤为关键。微带传输线巴伦是一种常用的馈电结构［14］，另外一种馈电结构是微带线-共面带状线转换巴伦［15］。在上述正弦天线的研究中，圆锥正弦天线研究者较少，而且很少涉及该天线的加工、测试以及极化特性的实验结果，而天线极化特性对于双极化雷达系统来说是十分重要的技术指标。

本文以圆锥共形四臂正弦天线作为被动雷达系统天线实现方案，研究其实际辐射性能，探讨该天线在被动雷达中的应用可行性，为实际极化被动雷达导引头天线的研制奠定坚实的基础。

1 圆锥正弦天线的结构设计

本文讨论的圆锥正弦天线结构包括位于圆锥表面的正弦形状的金属臂、支撑用的泡沫介质和超宽带微带线-平行双线转换巴伦三个组成部分。在此部分将论述正弦形状金属臂和超宽带巴伦的实现方法。

1.1 圆锥共形正弦形状金属臂的实现方法

正弦天线是一个频率无关的对数周期或准对数周期结构，它依赖于每个单元的最大角度范围α和单元之间的比例。正弦天线由N个臂组成，每个臂由P个单元组成。第p个单元表示从最外面的单元到最里面单元中的某一个单元，Rp表示第p个单元的半径。正弦曲线的设计参数包括αp和τp，其中αp表示极坐标下第p个单元的角度范围，τp表示相邻两单元半径的比值Rp／Rp-1.如果α和τ是常数，则正弦曲线符合对数周期原理，如果αp和τp跟单元数p有关，那么我们称这种结构为准对数周期结构。正弦曲线的第p个单元线段可由下面等式定义

式中:r和φ为正弦曲线的极坐标；Rp之间的关系为

为了从正弦曲线获得正弦天线的臂，需要引入另外一个参数δ，可以利用αp±δ旋转两个正弦曲线产生正弦天线的臂。第p个曲折臂单元的等式可写为

当αp+δ＜70°时，天线可以获得一个好的增益和效率。对于N臂正弦天线，δ在频率无关天线中也起着重要的作用；该天线满足自互补结构的条件为

自互补结构天线每个臂的输入阻抗可以由下式得到

根据正弦天线的辐射机理，最低、最高截止工作频率对应的波长可近似表示为

式中λL和λH分别为天线的最低和最高截止工作频率所对应的波长。

圆锥正弦天线是将平面正弦曲线投影到圆锥表面形成的。该天线的优点在于可以提高辐射方向图的前后比，避免使用加载吸波材料的金属背腔。为了实现辐射方向图的前后比性能和增益性能之间的折中，往往选择圆锥角为30°左右。在平面型正弦天线的基础上，研究圆锥正弦天线的结构设计与加工问题。采用的加工方法是微带粘结法。该方法将圆锥表面共形的正弦天线臂张开成平面曲线形状，选择柔性微带电路板加工，将柔性微带电路板缠绕在泡沫圆锥表面；两个宽带微带巴伦插入圆锥内部，在圆锥顶部分别与四个正弦金属臂焊接，实现对四臂正弦天线的平衡馈电。本文选择圆锥角为28°，圆锥底部直径为58mm.本文设计的四臂圆锥正弦天线的结构模型如图1所示。圆锥正弦天线臂展开成平面曲线后的图形如图2所示，在此图中，正弦曲线的内半径和外半径分别为4mm和103mm；选择恒定的增长率τ，其值为0.75；柔性电路板中介质基板的相对介电常数为3.4，介质基板厚度为0.06mm，质基板表面的金属箔厚度为0.018mm.

为了估计设计的圆锥正弦天线的辐射性能，采用电磁场全波分析方法对该天线进行了数值计算。由于两个极化端口的对称性，在此给出一个端口的计算结果。图3和图4分别为该端口的电压驻波比和端口隔离度特性曲线，可见该天线在2～5GHz频率范围内，平均电压驻波比（VSWR）为2，平均的极化端口隔离度低于-20dB.

图5给出了2GHz和5GHz时的天线辐射功率方向图仿真结果，对于每一个工作频率，又分别给出了E面和H面的方向图。可以看出:在两个工作平面上，该天线都表现出宽波束特性；同时，该天线在整个频带范围内的增益约为5dBi，且增益表现出较为平稳的特性。图6给出了2 GHz和5 GHz时的天线辐射轴比方向图仿真结果，对于每一个工作频率，又分别给出了E面和H 面的轴比方向图。可以看出:在主波束附近的较宽角度范围内，该天线的轴比较高，表现出近似线极化的辐射特性。

1.2 超宽带巴伦的设计与实现

本文设计的微带指数渐变巴伦几何结构如图7所示。该微带巴伦选择的介质基板的相对介电常数为2.2，介质基板厚度为1 mm，介质基板表面的金属箔厚度为0.036 mm.该介质基板顶部和底部金属结构均采用指数规律变化的曲线，端口1为平行双线端口，端口2为微带线端口，该巴伦的作用是将特性阻抗为50Ω的微带传输线连续变化到特性阻抗为180Ω的平行双线，同时实现了不平衡的微带端口到平衡的平行双线端口的转换。介质基板的顶部金属为信号线，底部为地平面，它们的指数曲线方程均可以用下面的公式表示为

式中，参数a和b由微带巴伦的尺寸决定，对于介质基板顶部的信号线结构，其表达式分别为

对于介质基板底部的地平面结构，其表达式分别为

上述微带巴伦的结构尺寸参数W0、W1和W2由数值仿真优化设计获得，其结果为:W0等于10mm，W1等于2.8mm，W2等于0.5mm.仿真得到的该微带巴伦两个端口的输入驻波比如图8所示，端口信号传输特性如图9所示，可见该巴伦可以实现很好的阻抗匹配和信号传输功能。

2 圆锥正弦天线的实验研究

根据上面的设计结果，本文对该天线及巴伦进行了加工制作。加工的微带巴伦如图10所示。焊接组装后的天线如图11所示。对加工制作的天线进行了实验测试工作。电压驻波比特性和极化端口隔离度特性采用矢量网络分析仪E8362B测量得到，测量结果分别如图12和图13所示。该圆锥正弦天线在工作频率为2～5GHz范围的输入平均VSWR约为2，两个极化端口表现出较好的一致性；在工作频率范围内，极化端口隔离度低于-20dB，可以满足我们的项目需要。

在微波暗室中，采用天线远场测试系统对该天线的辐射方向图和极化特性进行了测试。测试方法为:发射端采用超宽带标准喇叭天线，该天线放置在极化转台上，可以实现极化角度的任意旋转；待测天线放置在接收端的方位转台上；发射天线在发射功率不变的条件下，交替发射垂直极化和水平极化的电磁波，测试系统分别录取待测接收天线在这两个正交极化状态下的接收信号。由于该测试系统是相位相干测试系统，因此，可以测得天线接收数据的相位信息。将测得的信号功率与标准喇叭天线的接收功率对比分析，可以获得该天线的增益。同时，由于获取了待测天线的主极化和交叉极化数据，因此该天线的极化特性也可以计算得到。设待测天线在发射功率不变条件下接收的垂直极化和水平极化数据分别为EH和EV，则经过极化基的变换，得到其对应的左旋与右旋圆极化分量分别为

于是，待测天线的轴比AR可由下式计算得到

针对每一个极化端口，分别测试了对应的E面和H面的方向图，对于每一个测试平面，也分别测试了主极化和交叉极化分量的方向图。为方便起见，此部分仅给出2GHz和5GHz时的方向图测试结果。图14和图15为2GHz时的辐射功率方向图和轴比方向图的测试结果，图16和图17为5GHz时的辐射功率方向图和轴比方向图的测试结果。由图可见，该天线具有宽波束性能，而且随着频率变化波束宽度基本恒定，然而实测波束发生一定的起伏现象，这可能是加工原因引起的；在主波束范围内，该天线具有近似20dB的轴比，表现出较好的线极化特性，同时极化特性随着空间角度发生较明显的变化，因此，在实际应用中，应该考虑这种空间极化起伏现象。

根据方向图测试数据，统计得到的工作频段范围内各个频点上的波束宽度如表1所示，前后比如表2所示，两个极化端端口的增益特性曲线如图18所示。可以看出:该天现在两个极化端口上均表现出宽波束性能，方向图的前后比得到一定程度的改善，但是为了更好的实现单向辐射，在组成天线阵列时，需要在天线阵列的背面加载微波吸波材料。天线在两个极化端口的增益均高于4dBi，而且两个端口增益一致性较好，增益随着频率变化基本保持恒定。

表1 圆锥正弦天线的波束宽度

表2 圆锥正弦天线的前后比

图18 圆锥正弦天线的增益测试结果

3 结 论

宽带双极化天线是新体制极化被动雷达导引头的关键技术之一。本文以双极化圆锥共形四臂正弦天线作为极化被动雷达导引头的天线实现方案，其目的是在宽带范围内，实现对敌方辐射源信号的双极化接收。在天线制作过程中，将圆锥表面共形的正弦天线臂张开成平面结构，采用柔性微带电路板和微带粘结技术完成该天线的加工。设计了一种宽带微带指数渐变巴伦对该四臂圆锥正弦天线进行平衡馈电。对加工的圆锥正弦天线进行了实验测量，给出了输入驻波比、极化端口隔离度、辐射方向图和极化特性的测试结果。实验结果表明该天线具有宽带的输入驻波比和方向图特性；在主波束范围内，表现出近似的线极化特性，极化纯度较好，但是其极化特性随着空间角度发生较大的变化，实测增益略低于仿真结果，高低频特性相比仿真结果有所下降，这是因为加工和焊接等因素引起的。由于实验条件的限制，本文的天线加工和实验测量工作还需要进一步改进和提高。再者，通过变化天线尺寸，可以扩展该天线的工作频带。本文的研究工作为其实际应用提供了有力的技术参考。

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