X波段空中輻射場測量中的天線設計與應用

景 洪， 郝文析， 劉英君， 宗子健， 劉 敏

(西北核技術研究所，陜西 西安 710024)

1 引 言

微波輻射場測量是衡量環境電磁水平的主要方法之一,常規的輻射場測量主要在地面固定平臺上進行,并且預知來波信號極化方向,因此通常采用開口喇叭或者振子天線等線極化天線用作接收天線[1,2]。當在遠距離高空中開展微波輻射場測量時,由于在視距外和存在高空風等影響因素,空中平臺姿態難以固定,接收天線容易發生旋轉和擺動,這時如果來波形信號極化方向未知,在這些情況下若采用常規的線極化天線作接收天線,則會造成極化失配，產生較大的測量不確定度。根據天線理論,圓極化天線對任意極化方向的線極化電磁波都可以接收,因此獲得了學者的廣泛關注。對圓極化天線的研究工作主要集中在設計方法和指標的優化[3～12],針對空中輻射場高精度測量的研究較少。

本文在分析影響空中輻射場測量精度主要因素的基礎上,設計了微帶低軸比圓極化陣列天線,使天線在9.7 GHz時軸比(axial ratio, AR)降低至約0.1 dB,應用該天線可以將極化失配不確定度減小到0.1 dB以內,并具有較強的環境適應性,適用于X波段空中輻射場精確測量。

2 測量系統與不確定度分析

一個典型的X波段空中輻射場測量系統主要由接收天線、微波電纜、衰減環節、檢波器和數據采集系統組成,如圖1所示。使用時測量系統放置在空中平臺上。

圖1 空中輻射場測量系統Fig.1 Airborne radiation field measurement system

空間中電磁波信號經過天線接收后,通過傳輸衰減環節將信號衰減到檢波器可以處理的功率范圍(檢波輸出為直流信號),由數采系統進行采集處理。輻射場功率密度計算公式表示為：

(1)

式中：pd為測點處的輻射場功率密度；Pr為測量系統接收功率；Ae為接收天線有效面積；Pdet為檢波器輸入功率；A為衰減環節的衰減量。

影響高功率微波(high-power microwre, HPM)空中輻射場測量不確定度的主要因素包括：1) 系統定標精度。包括天線有效面積、衰減環節、檢波器等方面的定標精度；2) 極化失配影響。主要包括系統在空中輻射測量時,來波信號極化方向難以確定,且受飛行平臺姿態的影響,接收天線指向和極化方向難以精確控制,因此極化失配影響是不確定度主要因素。

如果將所有天線都視為有一定軸比的天線,線極化天線的軸比視為無窮大,這樣在天線理論中,可以將收發天線的極化不一致用統一的極化損失系數K來描述[12]：

(2)

式中：r1,r2為收發天線的軸比；φ為收發天線極化橢圓長軸的夾角。對于發射天線為同一極化方向的線極化波,線極化天線與圓極化天線(軸比0～3 dB)作為接收天線時,其極化夾角φ為0°～90°,極化損失系數與天線軸比和極化角的關系如圖2所示。

圖2 極化損失系數與天線軸比和極化角的關系Fig.2 The relationship between polarization loss coefficient, antenna axial ratio and polarization angle

采用線極化接收天線,當存在45°的極化偏角時,極化失配引入的不確定度約2.1 dB；若存在30°的極化偏角時,極化失配引入的不確定度約0.9 dB。因此,常規的線極化天線難以滿足空中輻射場高精度測量的需求。

如果圓極化接收天線軸比接近于1(即0 dB)時,極化損失系數K為固定值,也就是說即使來波信號極化方向在360°范圍內偏轉,圓極化天線仍然可以獲得一致的測量結果。

3 低軸比圓極化天線設計

從第2節分析可知,如果能夠設計一個軸比接近于1(即0 dB)的圓極化天線,那么空中微波輻射場測量的精度將得到有效的提高。

單點饋電的圓極化單元天線由于結構簡單,已得到廣泛的應用,其基本原理是在形狀規則的微帶天線上改變饋電點位置或者增加簡并模分離單元,分離簡并正交模諧振頻率,讓2個模等效阻抗相角分別滯后45°或者超前45°,從而形成圓極化輻射。但由于簡并模分離單元的引入，破壞了天線輻射場的均勻性,使得軸比一般大于0.5 dB。

將單元天線進行組陣可以提高圓極化的純度,陣列天線陣元排列形式、陣元間距、介電常數、介質材料等都會對單元間的互耦造成影響。因此本文采用一種順序旋轉饋電方式來組陣,4個單元天線空間上連續旋轉90°,采用等幅移相(連續移相90°)信號給每個單元饋電,圓極化天線結構如圖3所示。

圖3 圓極化天線結構Fig.3 Structure of circularly polarized antenna

圖3所示的天線介質相對介電常數為3.38，厚度Sw為1.524 mm,單元半徑r1為4.08 mm,陣列邊長l1為40.8 mm,單元間距l2為20.4 mm,天線實物和測試場景如圖4所示。

圖4 圓極化天線實物圖Fig.4 Photo of circularly polarized antenna diagram

天線9.7 GHz時3 dB波束寬度約為45°,如圖5所示。天線9.7 GHz時輻射主軸低至0.1 dB,如圖6所示。

圖5 圓極化天線方向Fig.5 Measured and simulated pattern of the antenna

圖6 圓極化天線軸比Fig.6 Measured and simulated AR of the antenna

通過圖5和圖6的仿真與實測結果可見,順序旋轉饋電可以彌補單元天線設計與加工誤差以及介質基板材料不一致引入的誤差,即使每個單元天線的軸比較高,順序旋轉陣列天線主軸上仍能輻射純圓極化波[13]。極低的軸比保證了該天線用于空中輻射場測量時可以準確地接收不同極化方向的信號。

4 天線環境適應性考核

4.1 溫度適應性

空中輻射場測量時,隨著高度升高3 km時(海拔高度每升高100 m,氣溫下降0.6 ℃),環境溫度會降低10 ℃以上。因此需要考察溫度變化對天線性能的影響。微帶陣列圓極化天線選用了碳氫陶瓷基板,該板材相對介電常數的溫度系數為40×10-6/℃,環境溫度變化幾十℃基本不影響微帶天線性能。天線使用了焊接方式饋電,采用了可用于 -30 ℃ 環境下的焊錫,以避免出現焊接處崩落影響天線性能的情況。此外還對天線采用了抗氧化、抗腐蝕等表面工藝,提高天線穩定性[14,15]。

高低溫測試結果表明,常溫(26 ℃)到低溫(-6 ℃),溫度跨度32 ℃,天線軸比偏差小于0.1 dB,性能參數無明顯變化,較為穩定。

4.2 功率容量

空中輻射場測量時,由于對環境電磁水平無法預知,因此需要對天線自身的功率承受能力進行分析。介質和導體損耗所引起的溫度上升限制了微帶線的平均功率容量[14],而微帶線能承受的最大峰值功率可表示為：

(3)

式中：Vmax為最大不擊穿電壓；ZC為特性阻抗。

對于相同的耐壓強度Vmax，介質材料越厚和特性阻抗越小,則峰值功率容量越大?？諝饽蛪簭姸燃s30 kV/cm,常見基片材料中聚苯乙烯耐壓強度為280 kV/cm、硅耐壓強度300 kV/cm。所設計的圓極化天線選用厚度h=1.524 mm的碳氫陶瓷基板,耐壓強度312 kV/cm,計算所得峰值功率容量超過1.5 kW。輻照實驗結果顯示,圓極化天線在功率密度100 W/cm2時,未出現擊穿現象,可以穩定一致地獲取信號。

5 低軸比圓極化天線應用

將所設計的低軸比圓極化天線應用于X波段空中輻射場測量,某次實驗的測量不確定度主要因素如表1所示。

從表1中可以看出,采用低軸比圓極化天線作為接收天線時,天線極化失配引入的不確定度僅約為0.04 dB,已成為不確定度分量中的一個較小分量,空中輻射場測量接收功率合成標準不確定度小于0.3 dB。

表1 X波段空中輻射場測量不確定度Tab.1 The uncertainty of X band airborne microwave radiation field measurement dB

6 結 論

本文首先對影響空中微波輻射場測量精度的主要因素進行了分析,并針對常規線極化接收天線容易因為極化失配引入較大不確定度的問題,設計了一種低軸比微帶圓極化陣列天線。該天線在 9.7 GHz， 3 dB波束寬度約45°，軸比低至0.1 dB，應用該天線可以將極化失配不確定度減小到0.1 dB以內,并具有較強的環境適應性,適用于X波段空中輻射場精確測量,具有較好的應用前景。

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