[发明专利]一种集成式巴伦馈电的正弦天线装置

说明书

技术领域

 本发明涉及一种正弦天线，具体地说是一种集成式巴伦馈电的正弦天线装置。

背景技术

超宽带电子系统，例如超宽带通信(Ultra Wide Band, UWB )和超宽带雷达等由于具有探测精度高等特点而获得广泛应用。超宽带天线是超宽带雷达和通讯系统中的关键部件，直接决定着整机系统的性能。传统的超宽带天线类型有对数周期天线、等角螺旋天线、阿基米德螺旋天线、宽带缝隙天线等。

1982年DuHamel提出的正弦天线，同时具备共口径、超宽带、双极化和平面性的特点，因此该形式的天线得到了迅速的发展，特别是近几年在电子对抗领域得到了广泛的应用；在某些领域,如反辐射导弹的微波导引头等领域，已有全面替代常规的平面螺旋天线的趋势。

正弦天线除了可以作为超宽带天线外，也很适合于作反射器天线馈源，与其它宽带天线相比，正弦天线更适合作反射器天线馈源，例如，它比双极化四脊喇叭馈源具有更宽的频带；由于正弦天线具有平面口径，所以它与正交对数周期天线不同，没有相位中心的位移；正弦天线在设计带宽范围内具有恒定的波束宽度，因此能给反射器提供恒定的照射和恒定的照射效率；此外，它的E面和H面波束宽度基本上是相等的。但现阶段，在国内由于受到设计手段、加工工艺方法的限制，正弦天线还没有得到大规模的应用。

正弦天线的研制过程包括天线口面的设计和馈电系统的设计两个部分，其中天线口面的设计包括正弦型振子臂的设计和支撑介质基板的选择，该部分由于曲线方程的确定，在实际设计中，对于相同的工作频率，其结构形式变化不大；正弦天线馈电系统的设计是一项关键的技术，难度较大，而且对于正弦天线的辐射性能影响很大。单一的正弦天线具有双向辐射特性，即最大辐射方向垂直于天线口面，在天线口面上下两侧形成宽波束辐射；为了实现单方向的辐射方向图，往往需要在正弦天线的一侧加上一个带有吸波材料的金属空腔，将金属空腔一侧的辐射电磁波吸收掉，进而只形成另一侧的辐射方向图。由于正弦天线的辐射振子是平衡结构，且正弦天线工作时，多采用同轴电缆馈电，但同轴电缆属于不平衡的馈电结构，因此，天线振子和同轴电缆之间需要加入平衡-不平衡馈电转换器（Balanced-to-Unbalanced Transformer, Balun）。

正弦天线的馈电系统结构复杂，特别是当工作频率升高时，馈电巴伦和天线振子臂之间的焊接十分困难，难以保证焊接精度和多次焊接中的一致性，辐射性能受到很不利的影响，这是一个在批量生产时会遇到的较大的难题。

传统的正弦天线馈电巴伦类型有Marchand巴伦、微带线-共面带状线巴伦和微带线-平行双线渐变巴伦等。一般的Marchand巴伦的结构一般采用同轴线结构，设计较为复杂，加工精度要求较高。文献[2]（蒋凡杰. 四臂正弦天线设计. 现代雷达，2006年2月，第28卷第2期：64-67，80）给出了一个0. 5 GHz~3 GHz四臂正弦天线设计实例，其采用的宽带平行结巴伦如图2所示，它由一个金属反射腔体、一根输入同轴电缆(特性阻抗为50Ω)、两根输出同轴电缆(特性阻抗为100Ω)和一根寄生金属棒组成，该巴伦同时具有平衡-不平衡转换和4: 1阻抗变换作用。

现有的一种较为新颖的馈电巴伦为微带线-共面带状线巴伦，其结构一端是便于焊接的微带线，另一端是位于介质基板一个平面上的共面带状线，该共面带状线对位于同一个平面上的正弦金属臂平衡馈电。文献[3]（M. Vahdani, X. Begaud. Wideband integrated feeding system for a dual polarisation sinuous antenna. IET Microwaves, Antennas & Propagation, 2010, Vol. 4, Iss. 11, pp. 1704–1713）中给出了一个采用该巴伦馈电的单极化正弦天线实例，其工作频率范围为2.5GHz～5.6GHz。

另一种常用的巴伦形式为微带线-平行双线渐变式巴伦，该巴伦的一端是便于焊接的微带线，另一端是平行双线，实际加工时，该平面结构的巴伦与正弦天线口面垂直放置，平行双线所在的端口与正弦型振子臂焊接在一起，实现平衡馈电。该巴伦的特点是结构简单，成本低廉，易于实现小型化，但是其缺点是巴伦与正弦型振子臂的焊接困难，难以控制，而且多次焊接的一致性差，机械结构不牢固，装配困难。文献[4]（陈振华,牛臻弋,曹群生. 平面正弦天线及其小型化馈电巴伦. 航空兵器，2009年10月，第5期：44-46）给出了一种小型化的微带巴伦。