uhf頻段小型化寬帶天線

1uhf段寬帶模塊化天線軍事頻率通常存在于高頻（uhf）頻率，而uhf段具有比其他頻率段（l或s段）更高的分辨率滲透性和更好的圖像特性。因此，開發(fā)uhf段的最小頻率和帶天線具有重要的現(xiàn)實意義。從諸多文獻可以看出,當(dāng)前UHF頻段天線的寬帶小型化發(fā)展方向是由原來的桿狀天線改變?yōu)槠矫嬗∷⒔Y(jié)構(gòu)天線。印刷天線作為小型化、集成化的線天線(WireAntenna)主角,以其三維結(jié)構(gòu)的靈活性受到出于各種不同設(shè)計目標(biāo)的全方位開發(fā)。這類天線素以低輪廓、印刷工藝、便于與電路集成等優(yōu)點著稱。當(dāng)前,研制UHF頻段小型化寬頻帶印刷天線來提高輻射效率已成為研究熱點。2天線的結(jié)構(gòu)和尺寸印刷天線是當(dāng)前天線小型化技術(shù)的主要方向。由于在UHF頻段工作波長長,故需用較大的天線或孔徑來產(chǎn)生信號或詳盡的圖像,致使天線結(jié)構(gòu)非常大。目前,在UHF天線的小型化、寬頻帶方面的研究尚未取得深入的進展。采用印刷結(jié)構(gòu)的超高頻小型化天線更是鮮有報道。根據(jù)所查閱的文獻,UHF頻段印刷天線主要有以下幾種形式:(1)微帶印刷天線微帶印刷天線(MicrostripPrintedAntenna)作為當(dāng)今天線小型化的主角,已被單獨應(yīng)用于電臺、手機等系統(tǒng)中,或作為各種陣列天線的單元。目前在為數(shù)不多的關(guān)于超高頻天線小型化的文獻報道中也是以微帶貼片天線居多。在小型化方面,對于低頻段(VHF/UHF)采用加短路片(或銷)、切曲折槽、介質(zhì)諧振器加載等技術(shù)措施,可做到1∶4的縮尺率;在展寬頻帶特性方面,近年來開發(fā)并優(yōu)化設(shè)計了雙層貼片和U型槽貼片天線。這兩種天線無論是使用探針饋電還是槽孔耦合都能獲得高達40%的阻抗匹配帶寬。然而,在各種典型的微帶貼片天線中,在較低頻段(VHF/UHF)很難做到兼具小型化、寬頻帶的特征。采用加短路片(或銷)、切曲折槽、介質(zhì)諧振器加載等技術(shù)措施,雖可做到1∶4的縮尺率,但頻帶較窄,輻射性能有所降低。另外,采用高介電常數(shù)的基片也能使貼片的幾何尺寸進一步縮小,但在電厚介質(zhì)的基片中存在表面波效應(yīng)。將貼片嵌入導(dǎo)體腔或是給貼片圍上短路銷柵的措施不僅結(jié)構(gòu)復(fù)雜,而且效果有限。例如,文獻介紹的圓形微帶貼片天線,采用在圓片上開槽的方法(每隔π/2開一個細槽,共4個),可使天線尺寸縮小到20mm×7.6mm,但其頻帶極窄(注:本文所說的帶寬,如果沒有特指都是指駐波比不大于2的帶寬),僅有0.3%(中心頻率為401.5MHz),而且增益低(最大值為1.8dB)。文獻采用的是H形貼片,這種新型結(jié)構(gòu)的尺寸比同頻段的矩形微帶貼片要縮小1/2,頻帶也要寬一些。(2)縫隙天線縫隙天線(SlotAntenna)也是天線小型化的重要途徑之一。縫隙天線也可像微帶貼片天線那樣選擇高介電常數(shù)的介質(zhì)而縮小其尺寸。不過,它有特殊的地方,比如在縫隙里面加介質(zhì),在縫隙背面加介質(zhì)腔。當(dāng)然,這里的介質(zhì)將影響諧振頻率。不過縫隙天線的尺寸的變化不像微帶天線那樣正比于,Schroeder給出了下面的關(guān)系式:式中,。在超高頻天線小型化方面也有采用這種形式的報道。文獻介紹的平面印刷天線,就是由數(shù)個螺旋縫隙天線單元組成,其中一個螺旋縫隙天線單元的長度是一般縫隙天線的1/2。如果將這種天線單元適度彎曲,可進一步縮小天線的尺寸。它采用微帶線饋電,通過調(diào)節(jié)微帶線的長度來實現(xiàn)與天線輸入阻抗的匹配。其尺寸僅為0.12λ×0.12λ(中心頻率600MHz),但它和微帶貼片天線一樣,也存在頻帶窄、增益低的問題(帶寬為2%,最高增益為0.5dBi)。(3)印刷板狀天線印刷板狀天線(PrintedPlanarAntenna)也是當(dāng)前得到主要應(yīng)用的UHF頻段小型化天線之一。它采用在介質(zhì)板之間夾金屬片,而此金屬片與同軸線相連。在兩個介質(zhì)板的外側(cè)貼金屬箔片,金屬箔片與天線座相接。金屬片與金屬箔片的外表面共同構(gòu)成天線的輻射體。從作用機理上看,印刷板狀天線是一種頂饋非對稱陣子,陣子的長度約為平均波長的1/4。但為了展寬頻帶,這種天線的饋電結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜。目前它主要用作軍用飛機上的寬帶多頻段通信天線(225～400MHz),英國CHELTON公司從1980年開始至今就一直在研究這種天線。(4)其他天線文獻還介紹了一種Hilbert分形小尺寸UHF印刷天線,它是通過對貼片進行切曲開槽,并將其制作在一塊分割好的PCB板上(介電常數(shù)為4.3)來縮小天線的結(jié)構(gòu)尺寸(4mm×50mm,中心頻率415MHz),相當(dāng)于一般印刷偶極子天線的四分之一大小。其缺點也很明顯:由于電尺寸小,導(dǎo)致輸入阻抗在不同頻率變化特別大(約2～75Ω),因此頻帶極窄(僅2MHz左右);另外,它使用高介電常數(shù)的PCB板,因而天線的表面波效應(yīng)強,損耗大,致使天線增益低;再者,由于其在機理上相當(dāng)于垂直偶極子天線,需要近似無限大的接地板與之匹配,無形中增大了天線的結(jié)構(gòu)尺寸。綜上可見,除印刷板狀天線外,其他三種UHF天線都具有結(jié)構(gòu)尺寸很小的優(yōu)點,但同時又都存在頻帶窄、增益低的問題。3更寬帶寬天線目前,UHF頻段天線寬頻帶技術(shù)主要是采用寬帶振子天線,通過加粗或等效加粗振子的截面來改善天線的阻抗頻率特性,從而獲得倍頻程甚至更寬的帶寬。帶寬更寬的這類天線有雙錐天線、盤錐天線、套筒天線以及由此衍生的一些變形天線。這些天線從結(jié)構(gòu)上看都是桿形天線,研究發(fā)現(xiàn)桿形天線的收信效果并不比平面的好。而天線的演變也是由原來的桿狀、環(huán)狀和碟型改變?yōu)槠桨逭褡咏Y(jié)構(gòu)或平面印刷結(jié)構(gòu)。(1)平板單極子天線對無限薄平板,可將寬度為a的平板振子等效為半徑為a/4的圓柱天線。因圓柱天線具有寬帶特性,故平板天線也具有寬帶特性。在平板上作適當(dāng)?shù)那懈罨蜷_槽,可進一步展寬頻帶。目前這類天線在UHF頻段開發(fā)的還不多見,主要集中在1～5GHz的頻段,現(xiàn)有的UHF平板單極子天線主要應(yīng)用在電視發(fā)射系統(tǒng)。文獻介紹的用于相控陣天線單元的平面開槽天線,就是在平板上刻出一條槽而制成的,它采用同軸探針在槽中間處饋電,平衡饋電裝置為U型巴侖。這種特殊的饋電裝置與輻射體相結(jié)合,使天線的頻帶極寬(170～1000MHz)。該天線的結(jié)構(gòu)尺寸為67cm×65cm,中心頻率處的增益可達7dB。(2)附加方法對一種特點的提取這種天線主要指微帶結(jié)構(gòu)的天線。大家知道,微帶貼片天線的窄頻特性是由其高Q諧振本性決定的。這意味著,當(dāng)諧振時實現(xiàn)了匹配,而當(dāng)頻率偏離諧振時電抗分量急劇變動產(chǎn)生失配。這樣,展寬頻帶的方法可從降低Q值的各個方面去探求,也可以考慮用附加的匹配措施來實現(xiàn)。常用的方法有:采用厚基板,采用εr較小或tanδ較大(有耗)的基板,附加阻抗匹配網(wǎng)絡(luò),采用楔形或階梯形基板,采用非線性基板材料,非線性調(diào)整元件,采用多層結(jié)構(gòu),在貼片或接地板“開窗”等等。其中,附加阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)和在貼片切縫以展寬頻帶已應(yīng)用到圓極化微帶天線上。然而,這些展寬頻帶的方法同樣也會帶來一些問題,如:基片厚度增大會引起表面波的明顯激勵;降低介電常數(shù)的潛力也有限,最小值為1,此時為空氣介質(zhì)。另外,附加寄生貼片,采用電磁耦合饋電,采取多層微帶形式,利用行波陣或?qū)?shù)周期陣等結(jié)構(gòu)來展寬頻帶,往往以體積和復(fù)雜性的增加以及效率的降低為代價。例如,多層微帶天線結(jié)構(gòu)復(fù)雜,制作工藝繁瑣;U型槽印制天線頻帶性能雖好,但交叉極化嚴重,輻射特性受損。(3)平板單極子結(jié)構(gòu)當(dāng)天線的結(jié)構(gòu)確定時,設(shè)計和安裝由無源元件組成的寬帶匹配網(wǎng)絡(luò),可以實現(xiàn)或進一步改善天線的阻抗匹配。該技術(shù)已逐漸被人們所重視,在UHF頻段已有所應(yīng)用。由上可見,單獨采用平板單極子結(jié)構(gòu)會使天線的尺寸較大,而如果使用微帶印刷結(jié)構(gòu),也存在一些問題。所以,選擇合適的物理結(jié)構(gòu),在天線尺寸、效率和帶寬三者間尋求折衷,即妥協(xié)點是當(dāng)前研究的關(guān)鍵。4uhf和sar的天線研究結(jié)構(gòu)小、重量輕、性能高的SAR天線,不僅能使SAR的成像分辨率更高,而且能方便地安裝在空間有限的飛機平臺上,從而為國防軍事和科學(xué)探索提供更加清晰詳盡的有關(guān)地理、地震、植物和其他地表內(nèi)容的信息。因此,美國三軍的實驗室和美國國防部高級研究計劃局(ARPA)都在積極投資發(fā)展UHF頻段機載SAR項目。加利福尼亞的Hughes航空公司研究實驗室(簡稱HRL)于2000年研制出了UHF頻段寬帶SAR小陣列天線,如圖1所示。該天線陣列由16個垂直極化振子和12個水平極化振子組成,每個振子以準(zhǔn)TEM波梯形槽線方式饋電實現(xiàn)寬頻帶匹配。垂直極化振子天線每一切片上印刷有4個振子,而水平極化振子天線在每一切片上印刷有3個振子,這些切片正交交錯形成一個穩(wěn)固的柵格結(jié)構(gòu)。該天線陣工作頻率帶寬為4∶1,由饋源和一個50cm×100cm×100cm的反射板組成。在該天線超高頻波段的最低點,接收罩的深度僅為1/4個波長。2003年10月,美國國家航空和宇宙航行局加利福尼亞的噴氣機推力實驗室公布了用于機載UHFSAR的微帶貼片天線的研制報告。這種SAR系統(tǒng)要求天線具有小型化和寬帶特性:在(350±80)MHz的頻率范圍內(nèi)天線是雙線性極化的。在中心頻率為350MHz時,天線達到最大增益10dB。在最低頻率和最高頻率處(270MHz和430MHz時),它的增益不小于8dB。該天線由微帶貼片線性陣列組成,以正方形諧振腔支撐。除了被切去的小角,每個貼片都是正方形,其中間有一個小的正方形洞。圖2給出了這個諧振腔和微帶貼片的設(shè)計布局和主要尺寸。天線的寬帶特性由相對大的諧振腔的深度決定。目前,國內(nèi)機載SAR技術(shù)正取得快速進展,開展了多種頻段的SAR系統(tǒng)的研制。但在UHF頻段還鮮有涉及。文獻介紹的一種用于機載SAR的UHF波段超寬帶天線,是由兩個加特殊反射板的印刷BALUN(BalancedtoUnbalanced)偶極子和一個超寬帶功分器組成。其幾何尺寸滿足:長度≤1.6λ,寬度≤0.67λ,高度≤0.56λ,它在52%的帶寬內(nèi)駐波比小于1.5,最高增益可達7dB。5uhf段天線物理基礎(chǔ)的發(fā)展綜上所述,超高頻天線寬帶小型化已取得了一定的進展,印刷天線是UHF天線小型化的主要方向。采用印刷結(jié)構(gòu)縮小天線尺寸,其效率與帶寬會出現(xiàn)反向變化關(guān)系,所以應(yīng)設(shè)法找到尺寸、帶寬和效率三者間的妥協(xié)點。由于天線小型