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一种机载宽频带轻量化双偶极子测量天线设计

2020-08-22 来源:好走旅游网
第34卷第4期 2018年8月 电子机械工程 Electro—Mechanical Engineering ·结构设计· DOI:10.19659/j.issn.1008—5300.2018.04.001 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) 摘要:在小型旋翼无人机平台的天线测量系统中,测量发射天线要具有双极化、宽频带及轻量化的特 点 为实现宽频带与双极化的电性能需求,设计了一种带反射腔的双偶极子天线,2对偶极子十字交 叉.采用同轴电缆馈电,共用一块反射底板;针对轻量化的要求,提出了“铜箔+PA6”及结构件薄化的新 型天线反射腔结构 通过电磁软件CST建立模型,对偶极子天线进行了仿真。仿真表明,所设计天线 在650~1 400 MHz的测试频带内,阻抗带宽为73.2%(电压驻波比小于2.5),2个激励端口的隔离度 大于50 dB,增益大于7 dBi,方向图对称性好,天线总质量低于0.6 kg,故天线的综合性能满足该机载测 量系统的要求。 关键词:机载天线;双偶极子天线;宽频带;轻量化设计 中图分类号:TN82 文献标识码:A 文章编号:1008—5300(2018)04—0001—04 and Lightweight Dual Dipoles Design of an Airborne Broadband Measurement Antenna SHUANG Qiao-ling ,ZHANG Ju-yong ,LIU Jing-xin ,WU Feng-quan , YAN Rui-bin ,LI Chun-guang ,CHEN Zhi-ping (1.Hangzhou Dianzi University,Hangzhou 310018,China; 2.National Astronomical Observatories,Chinese Academy of Sciences,Beijing 100012,China) Abstract:The antenna measurement system of the small airborne platform has special requirements for its transmit- ting source antenna.In order to obtain a broadband and dual—polarized radiation characteristic,a novel dual dipoles ntaenna with reflection cavity is presented.The crossed dual dipoles share a coaxial feed cable and a reflecting board.A new reflective cavity structure of copper foil and PA6 plate is proposed to meet the weight requirement. The dual dipoles antenna model is built and simulated in electromagnetic software CST.The results show that within test band of 650—1 400 MHz the pattern has a good symmetry,the antenna achieves an impedance bandwidth of 73.2%(Voltage stndiang wave ratio is lower than 2.5)with an isolation between the two ports over 50 dB,the an— tenna gain is higher than 7 dBi and the total weight of antenna is less than 0.6 kg.Therefore,the antenna meets the requirements of measurement system. Key words:airborne antenna;dual dipoles antenna;broadband;lightweight design 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)…。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『24]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 收稿日期:2018—07—16 基金项目:国家自然科学基金委员会一中国科学院天文联合资助项目(U1631118) ·1· ·结构设计· 电子机械工程 2o18年8月 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 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。 I.2天线总体结构设计 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 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。每个偶极子单元南一 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。 偶极子臂 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~l 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 配。被测天线是=r作波段为650~1 400 MHz 的双极化蝶彤天线 。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) 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 面远场辐射方向冈等化性好.方向性相对 2 )汉偶极子天线结构示意罔 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 n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。 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l是某小型旋翼无人机负载与续航时间的关系图。 偶极子的一臂与同轴电缆的内导体相连,电流为,。;另 一臂与同轴电缆的外导体相连,外导体内表面的电流 ,,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 负载质量/kg 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。 双偶极子天线T作的中心频率为900 MHz.由A= c/f(C为电磁波的速度,即光速;厂为电磁波的频率)得 波长A=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:L.=0.262A,L,=0.087A,L = 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 rnin以 上,携载的测试发射端总质量就应在3 kg之内。测试 ·2· 34卷 4 I9j 双巧玲.等:-种fJ【哉 蜘 :轻 I J_ 舣偶徵 洲 t火线没汁 ·结构设计· 引3 双似微 人线 llz_ ̄ ‘ 构,Jj也 (小 删I ) 0.O04A,L4=0.I【X)A, I=0.078A,IV2=0.【J() A,tl= O.250A(L ~L 为偶板子惜的边K, 为支撑 ’的『 度. 为【敲j支撑管的lfl心 离. 为卡}{邻偶橄J 懵的 隙) 、 就 rfI一个偶檄 人线 一 Inf ,A情接外导 , 这 的支撑管:M轴电缆的『人J 体穿过 A恃十ll连 的支撑管和,1懵I 094L.通过‘ 支撑臀 轴 合的卜 连接件I lifm勺【IJ】 剑( 惜,阿通过般『乜片‘j C忖电 联通,此处为筇一锁IU ;f I C侍卡lj连的支撑竹下 端 反射底板卡l1连.使1j 4惜 连的支撑竹 路,以 JqJ¥lJ『I订轴线外导体外 liff的电流,使,4、c lj_i_f肾I 的电 流柑i等,丁足‘ c符fll连的支撑符反射底扳起划把小 半衡转化为 衡的 伦作fII Jl此}jlf,A、C 情I 的IU 流人/J,4 ̄fI等, 阳卡I1反.Ill丁l姒j肾的总K为、卜波K,J 以闪情术端的}tz流1:JIf I 好州 l 80。/1一 卡勾J戊J 人 线的一个极化力‘ , j一个偶傲r 一,)采川t十}I川的 馈ItZ,f{J1成_r j一个徵化力‘ ,2个极化力 十I I.实现r双极化 3 双偶极子天线轻量化设计 小义没汁的人线卞 6-i ̄!怕ItL时使}l J, 卒外常川… 的人线 M,陔人线 前婴持续地 外服役、 虑 到尢人机/f 会 【m火 等 劣条件下 行洲{l ,即陔 发射火线 I:if1i、『受到的环境戟筒较小,l尺I此人线 构 的强度iI『逝!『,降低,腔体构件”f实行薄化没汁 陔火线符按传统结构选材力‘案,反射 将采川 钔材料,』 密度为8 500 kg/m , :按没汁J 、r,质 tl L"h  i" 达到1.74 kg,fffl』J『II 蚁偶书哎子 £的质 I L,总质 就 /f 能满足机载发利‘人线的指标 求 此必须优化人 线结构,进行轻 化 ‘ 为r满足人线的轻 化 求.卜lif 从材料祠1 构 2疗 蚶人线的反射腔体进i 改进设汁 I)A6的 发fIJ慢发商.ffIj寸热,耐老化,fJ【 能 f.¨.饼度仪为l 150 kg/ ,M佯的肜状火小,PA6反 射腔的 仪为故乍}4 板的l 3.5%,IlJ‘满 fl}化没 · 求,似t'A6反射效果很箍 仃低表 瓴化 特 r ,I,J‘以 |j各种 川 材& 贴合 此,综合I'A6 j 粥的特点,埘人线的 ffJ1干¨材料进行轻 化处 4 f¨ 5分圳为人线 构爪意罔ffl“铜 +I A6” 结构,J 总  ̄ldffL、 三 ~ 冬I 5“ ¨j}f1+r 、6” ’ 构, 意I冬 【凡l找机对顷 的 求.刈‘火线强 求/f l 婴 *刎,能符合f{J!lJ 他Jf J 求}!IJ lfJ‘, 此采川 荆 的 I)A6 中勾能够满 机载人线的 求 芬虑剑 淅的r r搽作 fI】随 使川次数的增』J【l铜 与I,A6的 黏 性能下降In r 斡换的情 ,进一步把{=fIj竹 _Ij反 射底搬的连接力 J= I11永久悱( 4)改为【IJ‘拆卸的( 5),乍Il4僻/f 址 接焊接刮反射底}』亘『 , 址允 j接地 Ic,jI环连接,接地 通过螺怆 j反射 板j生接 制作火线}ilJ‘,IJJ‘以允 2 Illlll 的t'A6 扳上敷一 P/:-)立仪为0.1 III111的锏 ,这样『 避免制 的平 度 ¨IfI㈨JJ{=I|j 化 的}:涉 受到影响,接地侧环 州‘ 板、…简侧^ .jJ 射底扳均采川螺怆的连接 ‘』I== 以 _f 拆卸斡换辑f 化设汁 憾个火线的质 为 0.54 J kg,满 绒机刈。质 的 求 4双偶极子天线仿真分析 将双偶板子 线的模型导入(:srr软什作适当简 ·3· ·结构设计· 电子机械工程 化,反射腔采川“锏箔+PA6”没汁,『』fj 6所,Jj 果川 离散端口馈电,输入阻抗值与馈电线的特 I'IN[抗1寸fI州, 皆为50 Q 捕的频率范 没为650~l 400 MHz 650~l 400 Ml1z的;阶 I』、J,fU 驻波比小于2.5.表 【IJ J i发人线能1,I 个宽 i }【人J l 竹 从 9 r J 以 …: 坝点处.天线的最大增益是 fII M的,ji rII增 丽力 J罔ffl,,J 随频率的增加而变大存 850 Mttz、95()MHz、l 050 MHz f¨l 150 MHz频点处, 向 的、f J力半波束宽度几乎相同, 说_』lJ等化 Pt卡¨对 好 综I 所述.【】 以行…舣偶极于天线在6 5 0~ 6仿真简化 ‘ 1 400 Mtfz的宽坝 }内j 仃 & 的电性能和辐射特 I矧7、 8和冈9分刖为双偶板子天线的 波损 耗fff1线、电压驻波比fm线以及在各频点处的 面和 面方向冈 7 舣鹏做于火线的【I『1波 牦【f}i线 纠8 双偶橄子犬线的电 驻波比litI线 夹角,7 炙-缃, ,1) 9 舣偶微于天线 l:各坝点处的E f1J,, l,J‘… 从图7天线的同波损耗图可以看f}I, 650~ l 400 MHz的频带内天线的反射系数 ,,值均小于一8 m, 2个偶极子Ih】交义极化随s ,往一55 t1B以下,说明2个 偶极子天线单元具有很好的隔离度 从 8蚁偶橄了 天线2个激励端口的电压驻波比的 线可以希¨j, .4. 性,满足埘宽频带、蚁傲化人线测量的要求 根据仿真 优化的数 作 n,J 找蚁鸺傲子天线实物如图l0 所, 』 l0机栽舣 做, 人线 物样机照片 5 结束语 述一晓~ , 兰拌电~一于  一一~义没汁的蚁似橄 人线采用十字交义的双偶极 了久线t 元, J,蚁}殷化;“ 6+铜箔”的反射腔设 汁他最终天线的顷 l}l{笨剑0.6 kg以下,实现了轻量化 的机戡 求 仿 结果 『I』J,蚁偶极子天线在650~ 1 400 M}tz的宽频带 彳r良好的电性能和辐射特性, 满 对宽频带、蚁做化人线测 的要求 下一步将埘 天线进行电性能和 射悱 能洲试j 参考文献 (下转第22页) j ~一¨·环境适应性设计· 电子机械工程 2018年8月 Vibrating antennas and compensation techniques research in [1O] 王布宏,侯青松,郭英,等.共形阵列天线互耦校正的 辅助阵元法[J].电子学报,2009,37(6):1283—1288. 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