用于超寬帶天線平衡饋電的低剖面巴侖設計-Ultra-wideband Antenna

1、用于超寬帶天線平衡饋電的低剖面巴侖設計 景小東 1 ,張明濤,張福順,焦永昌(西安電子科技大學天線與微波技術國家重點實驗室,陜西 西安 710071摘 要:提出了一種低剖面超寬帶巴侖的設計方法,該巴侖為指數(shù)漸變線巴侖的一種改進形式。根據(jù)該 方法設計的兩種巴侖,可分別用于雙臂平面螺旋天線和雙極化對數(shù)周期天線平衡饋電。測試結果表明,在 0.4GHz15GHz頻帶內,巴侖的駐波系數(shù)均小于 2,巴侖接天線的駐波系數(shù)最大不超過 3,且天線連同巴侖 的總高度均小于 6cm 。關鍵詞:超寬帶 低剖面 巴侖 天線Design of a Low Profile Balun used to feed the Ul

2、tra-wideband AntennaJing Xiao-dong, Zhang Ming-tao, Zhang Fu-shun, Jiao Yong-chang (National Key Laboratory of Antenna and Microwave Technology, Xidian University, Xian Shanxi, 710071Abstract: The design method of a low-profile ultra-wideband balun, a modification of the traditional exponential tape

3、red balun, is proposed in this paper. Based on this method, two kinds of balun are designed, which can be used to feed the two arm spiral antenna and dual-polarization log-period antenna. The experiment results indicate that the VSWR of the two baluns are less than 2 during the frequency band 0.4GHz

4、15GHz, and a VSWR no more than 3 can also be obtained during the whole band when connecting the two baluns to the antennas. Moreover, the whole heights of the two antennas when connecting with baluns are less than 6 cm.Key words: Ultra-wideband Low-profile Balun Antenna1 引 言在微波電路及天線設計中,常需要采用巴侖結構完成不平

5、衡饋電至平衡饋電的轉換。常用的巴 侖類型有,同軸線巴侖、 Marchand 巴侖、寬邊耦合巴侖、共面微帶線巴侖等。一些超寬帶天線,如 平面螺旋天線及雙極化對數(shù)周期天線的設計中, 由于天線的輸入端為平衡結構, 若采用同軸線饋電, 則需要使用超寬帶巴侖實現(xiàn)不平衡至平衡的轉換,同時巴侖需具有阻抗變換能力,以實現(xiàn)對天線的 匹配。1景小東,男,四川人, 1981年生,碩士研究生。指數(shù)漸變線巴侖由于其良好的電特性(帶寬大于 9:1 ,同時結構簡單、制造成本低等優(yōu)點,獲 得了廣泛的應用 1。然而,由于其固有特性,該巴侖具有很大的縱向尺寸,特別是帶寬很寬時 1;在 用于超寬帶天線平衡饋電時,巴侖將占據(jù)很大空間

6、,這在某些應用場合,很難讓人接受。本文提出一種低剖面超寬帶巴侖的設計方法,它是對傳統(tǒng)的指數(shù)漸變線巴侖的一種改進。所設 計的兩種巴侖,可用于雙臂平面螺旋天線和雙極化對數(shù)周期天線平衡饋電。整個天線連同巴侖結構 具有較小的高度,滿足低剖面應用的要求。2 巴侖設計2.1 指數(shù)漸變線巴侖圖 1給出了指數(shù)漸變線巴侖結構示意圖,它將輸入端的 50不平衡信號,通過指數(shù)漸變線阻抗變換器變換為輸出端與天線輸入阻抗一致的平衡信號。漸變線的特性阻抗沿其軸向按指數(shù)規(guī)律變化 2:0( z z z z e =式中, 是指數(shù)線在 =0處的特性阻抗, 0z z 為阻抗變化參量。圖 1中 為指數(shù)漸變線巴侖的長度, 根據(jù)工作帶寬要

7、求, l 需滿足 l max /2l 1,其中 max 為最低工作頻率對應的波長。與雙曲漸變線、 拋物漸變線、 貝塞爾漸變線及切比雪夫漸變線相比較 , 當 1/0.5=。顯然,無論巴侖怎樣放置,都將占據(jù)很大的空間,尺寸上無法滿足要求。為 了減小巴侖尺寸,將巴侖在某處彎曲,彎曲處用圓弧過渡,這樣很容易將巴侖限制在天線面內,且 其縱向尺寸也會有很大的減小。按照此方法,設計了兩種巴侖,如圖 2所示: a b圖 2 變形的指數(shù)漸變線巴侖結構Figure 2 Structure of deformed tapered exponential balun將圖 2(a所示巴侖用于雙臂平面螺旋天線饋電時, 巴

8、侖將輸入端的 50不平衡信號轉換為輸出端 與天線相匹配 (約 140 的平衡信號;巴侖垂直于天線面放置,在天線中心處,通過過孔與天線臂焊 接在一起。 圖 2(b中雙巴侖用于雙極化對數(shù)周期天線饋電時, 巴侖平行于天線面放置, 在其平衡端口 通過 4根交錯同軸線與天線的四條臂相連。圖 3給出了巴侖與天線安裝示意圖。按照此安裝方式,整 個天線結構的高度均小于 6cm ,與采用傳統(tǒng)的指數(shù)漸變線巴侖相比,天線尺寸有了很大的減小,滿 足低剖面應用的要求。 a 巴侖接雙臂平面螺旋天線 b 巴侖接雙極化對數(shù)周期天線a The two-arm planar spiral antenna with balun b

9、 Dual polarization log-period antenna with baluns圖 3 巴侖與天線安裝示意圖Figure3 Installation diagram of balun and antenna3 測試結果為了檢驗所設計巴侖的電特性,用 HP8753D 矢量網絡分析儀分別測試了兩巴侖對接的駐波系數(shù) 及巴侖接天線的駐波系數(shù),測試結果分別如圖 4、 5所示。從圖 4、 5所示測試曲線可以看出,在 0.4GHz15GHz頻帶內,兩巴侖對接的駐波系數(shù)均小于 2; 兩種巴侖分別接雙臂平面螺旋天線及雙極化對數(shù)周期天線時, 在 0.4GHz15GHz頻帶內, 最大駐波系 數(shù)小于

10、 3。 a 巴侖對接駐波比曲線 b 巴侖接螺旋天線駐波比曲線a VSWR of two baluns linking together b VSWR of spiral antenna with balun圖 4 巴侖對接及巴侖接雙臂平面螺旋天線駐波系數(shù)Figure 4 VSWR of two baluns linking together and two-arm planar spiral antenna with baluna 巴侖對接駐波比曲線 b 巴侖接雙極化對數(shù)周期天線駐波比曲線 a VSWR of two baluns linking together b VSWR of dual

11、 polarization log-period antenna with baluns圖 5 巴侖對接及巴侖接雙極化對數(shù)周期天線駐波系數(shù)Figure5 VSWR of two baluns linking together and dual polarization log-period antenna with baluns4 結 論針對傳統(tǒng)的指數(shù)漸變線巴侖存在尺寸較大的缺點,提出了變形指數(shù)漸變線巴侖的設計方法,根 據(jù)此方法設計了兩種巴侖,分別用于雙臂平面螺旋天線和雙極化對數(shù)周期天線的平衡饋電。測試結 果表明,在整個工作頻帶內,巴侖對接時的駐波系數(shù)均小于 2,巴侖接天線的駐波系數(shù)均小于 3。同 時,整個天線結構的高度均小于 6cm ,滿足低剖面應用的要求。參考文獻:1 Hofer D , Tripp V. K. A low-profile broadband balun feed J . Antennas and Propagation Society International Symposium, AP2S. Digest , 1993 , 1 (