宋立眾 喬曉林 葉 準

（哈爾濱工業(yè)大學（威海），山東 威海 264209）

引 言

被動雷達導引頭是一種應(yīng)用于導彈武器中的寬帶雷達系統(tǒng)。被動雷達導引頭因其具有隱蔽性好、抗干擾能力強等優(yōu)點而在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中備受青睞［1］。傳統(tǒng)被動雷達導引頭的天線系統(tǒng)多采用圓極化超寬帶天線［2］，例如平面或圓錐等角螺旋天線、平面阿基米德螺旋天線等，這些天線均具有寬頻帶、圓極化和寬波束性能［3-7］。極化被動雷達導引頭是一種新型雷達導引頭，它通過雙極化天線系統(tǒng)感知電磁輻射信號的幅度、相位、到達角和極化的完整信息，可以進一步提高雷達導引頭的信號檢測和抗干擾性能，在電子戰(zhàn)性能等方面具有明顯的優(yōu)越性。寬帶雙極化天線系統(tǒng)是極化被動雷達導引頭的關(guān)鍵技術(shù)。四臂正弦天線是一種性能優(yōu)良的天線形式，該天線具有極寬的工作頻帶、恒定的波束寬度、雙極化工作模式等特性［8-11］，因而在被動雷達導引頭領(lǐng)域極具吸引力。傳統(tǒng)的正弦天線為平面結(jié)構(gòu)，它由若干個位于介質(zhì)表面的對稱金屬臂組成，具有雙向輻射的方向圖［12］。為實現(xiàn)單向輻射，往往需要在天線后向加一裝有吸波材料的金屬背腔。圓錐正弦天線是另一種正弦天線形式，其優(yōu)點是可以提高天線輻射方向圖的前后比［13］。在正弦天線的設(shè)計中，饋電結(jié)構(gòu)的設(shè)計尤為關(guān)鍵。微帶傳輸線巴倫是一種常用的饋電結(jié)構(gòu)［14］，另外一種饋電結(jié)構(gòu)是微帶線-共面帶狀線轉(zhuǎn)換巴倫［15］。在上述正弦天線的研究中，圓錐正弦天線研究者較少，而且很少涉及該天線的加工、測試以及極化特性的實驗結(jié)果，而天線極化特性對于雙極化雷達系統(tǒng)來說是十分重要的技術(shù)指標。

本文以圓錐共形四臂正弦天線作為被動雷達系統(tǒng)天線實現(xiàn)方案，研究其實際輻射性能，探討該天線在被動雷達中的應(yīng)用可行性，為實際極化被動雷達導引頭天線的研制奠定堅實的基礎(chǔ)。

1 圓錐正弦天線的結(jié)構(gòu)設(shè)計

本文討論的圓錐正弦天線結(jié)構(gòu)包括位于圓錐表面的正弦形狀的金屬臂、支撐用的泡沫介質(zhì)和超寬帶微帶線-平行雙線轉(zhuǎn)換巴倫三個組成部分。在此部分將論述正弦形狀金屬臂和超寬帶巴倫的實現(xiàn)方法。

1.1 圓錐共形正弦形狀金屬臂的實現(xiàn)方法

正弦天線是一個頻率無關(guān)的對數(shù)周期或準對數(shù)周期結(jié)構(gòu)，它依賴于每個單元的最大角度范圍α和單元之間的比例。正弦天線由N個臂組成，每個臂由P個單元組成。第p個單元表示從最外面的單元到最里面單元中的某一個單元，Rp表示第p個單元的半徑。正弦曲線的設(shè)計參數(shù)包括αp和τp，其中αp表示極坐標下第p個單元的角度范圍，τp表示相鄰兩單元半徑的比值Rp／Rp-1.如果α和τ是常數(shù)，則正弦曲線符合對數(shù)周期原理，如果αp和τp跟單元數(shù)p有關(guān)，那么我們稱這種結(jié)構(gòu)為準對數(shù)周期結(jié)構(gòu)。正弦曲線的第p個單元線段可由下面等式定義

式中:r和φ為正弦曲線的極坐標；Rp之間的關(guān)系為

為了從正弦曲線獲得正弦天線的臂，需要引入另外一個參數(shù)δ，可以利用αp±δ旋轉(zhuǎn)兩個正弦曲線產(chǎn)生正弦天線的臂。第p個曲折臂單元的等式可寫為

當αp+δ＜70°時，天線可以獲得一個好的增益和效率。對于N臂正弦天線，δ在頻率無關(guān)天線中也起著重要的作用；該天線滿足自互補結(jié)構(gòu)的條件為

自互補結(jié)構(gòu)天線每個臂的輸入阻抗可以由下式得到

根據(jù)正弦天線的輻射機理，最低、最高截止工作頻率對應(yīng)的波長可近似表示為

式中λL和λH分別為天線的最低和最高截止工作頻率所對應(yīng)的波長。

圓錐正弦天線是將平面正弦曲線投影到圓錐表面形成的。該天線的優(yōu)點在于可以提高輻射方向圖的前后比，避免使用加載吸波材料的金屬背腔。為了實現(xiàn)輻射方向圖的前后比性能和增益性能之間的折中，往往選擇圓錐角為30°左右。在平面型正弦天線的基礎(chǔ)上，研究圓錐正弦天線的結(jié)構(gòu)設(shè)計與加工問題。采用的加工方法是微帶粘結(jié)法。該方法將圓錐表面共形的正弦天線臂張開成平面曲線形狀，選擇柔性微帶電路板加工，將柔性微帶電路板纏繞在泡沫圓錐表面；兩個寬帶微帶巴倫插入圓錐內(nèi)部，在圓錐頂部分別與四個正弦金屬臂焊接，實現(xiàn)對四臂正弦天線的平衡饋電。本文選擇圓錐角為28°，圓錐底部直徑為58mm.本文設(shè)計的四臂圓錐正弦天線的結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。圓錐正弦天線臂展開成平面曲線后的圖形如圖2所示，在此圖中，正弦曲線的內(nèi)半徑和外半徑分別為4mm和103mm；選擇恒定的增長率τ，其值為0.75；柔性電路板中介質(zhì)基板的相對介電常數(shù)為3.4，介質(zhì)基板厚度為0.06mm，質(zhì)基板表面的金屬箔厚度為0.018mm.

為了估計設(shè)計的圓錐正弦天線的輻射性能，采用電磁場全波分析方法對該天線進行了數(shù)值計算。由于兩個極化端口的對稱性，在此給出一個端口的計算結(jié)果。圖3和圖4分別為該端口的電壓駐波比和端口隔離度特性曲線，可見該天線在2～5GHz頻率范圍內(nèi)，平均電壓駐波比（VSWR）為2，平均的極化端口隔離度低于-20dB.

圖5給出了2GHz和5GHz時的天線輻射功率方向圖仿真結(jié)果，對于每一個工作頻率，又分別給出了E面和H面的方向圖?？梢钥闯?在兩個工作平面上，該天線都表現(xiàn)出寬波束特性；同時，該天線在整個頻帶范圍內(nèi)的增益約為5dBi，且增益表現(xiàn)出較為平穩(wěn)的特性。圖6給出了2 GHz和5 GHz時的天線輻射軸比方向圖仿真結(jié)果，對于每一個工作頻率，又分別給出了E面和H 面的軸比方向圖?？梢钥闯?在主波束附近的較寬角度范圍內(nèi)，該天線的軸比較高，表現(xiàn)出近似線極化的輻射特性。

1.2 超寬帶巴倫的設(shè)計與實現(xiàn)

本文設(shè)計的微帶指數(shù)漸變巴倫幾何結(jié)構(gòu)如圖7所示。該微帶巴倫選擇的介質(zhì)基板的相對介電常數(shù)為2.2，介質(zhì)基板厚度為1 mm，介質(zhì)基板表面的金屬箔厚度為0.036 mm.該介質(zhì)基板頂部和底部金屬結(jié)構(gòu)均采用指數(shù)規(guī)律變化的曲線，端口1為平行雙線端口，端口2為微帶線端口，該巴倫的作用是將特性阻抗為50Ω的微帶傳輸線連續(xù)變化到特性阻抗為180Ω的平行雙線，同時實現(xiàn)了不平衡的微帶端口到平衡的平行雙線端口的轉(zhuǎn)換。介質(zhì)基板的頂部金屬為信號線，底部為地平面，它們的指數(shù)曲線方程均可以用下面的公式表示為

式中，參數(shù)a和b由微帶巴倫的尺寸決定，對于介質(zhì)基板頂部的信號線結(jié)構(gòu)，其表達式分別為

對于介質(zhì)基板底部的地平面結(jié)構(gòu)，其表達式分別為

上述微帶巴倫的結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)W0、W1和W2由數(shù)值仿真優(yōu)化設(shè)計獲得，其結(jié)果為:W0等于10mm，W1等于2.8mm，W2等于0.5mm.仿真得到的該微帶巴倫兩個端口的輸入駐波比如圖8所示，端口信號傳輸特性如圖9所示，可見該巴倫可以實現(xiàn)很好的阻抗匹配和信號傳輸功能。

2 圓錐正弦天線的實驗研究

根據(jù)上面的設(shè)計結(jié)果，本文對該天線及巴倫進行了加工制作。加工的微帶巴倫如圖10所示。焊接組裝后的天線如圖11所示。對加工制作的天線進行了實驗測試工作。電壓駐波比特性和極化端口隔離度特性采用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀E8362B測量得到，測量結(jié)果分別如圖12和圖13所示。該圓錐正弦天線在工作頻率為2～5GHz范圍的輸入平均VSWR約為2，兩個極化端口表現(xiàn)出較好的一致性；在工作頻率范圍內(nèi)，極化端口隔離度低于-20dB，可以滿足我們的項目需要。

在微波暗室中，采用天線遠場測試系統(tǒng)對該天線的輻射方向圖和極化特性進行了測試。測試方法為:發(fā)射端采用超寬帶標準喇叭天線，該天線放置在極化轉(zhuǎn)臺上，可以實現(xiàn)極化角度的任意旋轉(zhuǎn)；待測天線放置在接收端的方位轉(zhuǎn)臺上；發(fā)射天線在發(fā)射功率不變的條件下，交替發(fā)射垂直極化和水平極化的電磁波，測試系統(tǒng)分別錄取待測接收天線在這兩個正交極化狀態(tài)下的接收信號。由于該測試系統(tǒng)是相位相干測試系統(tǒng)，因此，可以測得天線接收數(shù)據(jù)的相位信息。將測得的信號功率與標準喇叭天線的接收功率對比分析，可以獲得該天線的增益。同時，由于獲取了待測天線的主極化和交叉極化數(shù)據(jù)，因此該天線的極化特性也可以計算得到。設(shè)待測天線在發(fā)射功率不變條件下接收的垂直極化和水平極化數(shù)據(jù)分別為EH和EV，則經(jīng)過極化基的變換，得到其對應(yīng)的左旋與右旋圓極化分量分別為

于是，待測天線的軸比AR可由下式計算得到

針對每一個極化端口，分別測試了對應(yīng)的E面和H面的方向圖，對于每一個測試平面，也分別測試了主極化和交叉極化分量的方向圖。為方便起見，此部分僅給出2GHz和5GHz時的方向圖測試結(jié)果。圖14和圖15為2GHz時的輻射功率方向圖和軸比方向圖的測試結(jié)果，圖16和圖17為5GHz時的輻射功率方向圖和軸比方向圖的測試結(jié)果。由圖可見，該天線具有寬波束性能，而且隨著頻率變化波束寬度基本恒定，然而實測波束發(fā)生一定的起伏現(xiàn)象，這可能是加工原因引起的；在主波束范圍內(nèi)，該天線具有近似20dB的軸比，表現(xiàn)出較好的線極化特性，同時極化特性隨著空間角度發(fā)生較明顯的變化，因此，在實際應(yīng)用中，應(yīng)該考慮這種空間極化起伏現(xiàn)象。

根據(jù)方向圖測試數(shù)據(jù)，統(tǒng)計得到的工作頻段范圍內(nèi)各個頻點上的波束寬度如表1所示，前后比如表2所示，兩個極化端端口的增益特性曲線如圖18所示?？梢钥闯?該天現(xiàn)在兩個極化端口上均表現(xiàn)出寬波束性能，方向圖的前后比得到一定程度的改善，但是為了更好的實現(xiàn)單向輻射，在組成天線陣列時，需要在天線陣列的背面加載微波吸波材料。天線在兩個極化端口的增益均高于4dBi，而且兩個端口增益一致性較好，增益隨著頻率變化基本保持恒定。

表1 圓錐正弦天線的波束寬度

表2 圓錐正弦天線的前后比

圖18 圓錐正弦天線的增益測試結(jié)果

3 結(jié) 論

寬帶雙極化天線是新體制極化被動雷達導引頭的關(guān)鍵技術(shù)之一。本文以雙極化圓錐共形四臂正弦天線作為極化被動雷達導引頭的天線實現(xiàn)方案，其目的是在寬帶范圍內(nèi)，實現(xiàn)對敵方輻射源信號的雙極化接收。在天線制作過程中，將圓錐表面共形的正弦天線臂張開成平面結(jié)構(gòu)，采用柔性微帶電路板和微帶粘結(jié)技術(shù)完成該天線的加工。設(shè)計了一種寬帶微帶指數(shù)漸變巴倫對該四臂圓錐正弦天線進行平衡饋電。對加工的圓錐正弦天線進行了實驗測量，給出了輸入駐波比、極化端口隔離度、輻射方向圖和極化特性的測試結(jié)果。實驗結(jié)果表明該天線具有寬帶的輸入駐波比和方向圖特性；在主波束范圍內(nèi)，表現(xiàn)出近似的線極化特性，極化純度較好，但是其極化特性隨著空間角度發(fā)生較大的變化，實測增益略低于仿真結(jié)果，高低頻特性相比仿真結(jié)果有所下降，這是因為加工和焊接等因素引起的。由于實驗條件的限制，本文的天線加工和實驗測量工作還需要進一步改進和提高。再者，通過變化天線尺寸，可以擴展該天線的工作頻帶。本文的研究工作為其實際應(yīng)用提供了有力的技術(shù)參考。

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