一種新型低剖面寬帶相控陣單元研究

王敏男 郝書吉 朱允鋒 朱金鵬

(中國電波傳播研究所,山東 青島 266107)

1.引 言

目前,隨著雷達系統、通信對抗系統等的不斷發展,對有源相控陣天線單元提出了較高的要求,如增益、帶寬、寬角掃描等等。很多文獻對寬帶天線單元及陣列進行了技術探討,文獻[1]介紹了寬帶阻抗匹配的方法,但實現起來很困難,文獻[2]介紹了改善相控陣天線帶寬的技術途徑,分別從寬帶陣元和寬帶陣列技術兩方面進行論述,文獻[3]采用寬帶天線單元施加匹配網絡的方法對一種短波寬帶天線系統進行了研究。總體來看,這些方法和技術值得借鑒,但常規的相控陣天線單元在應用方面仍存在諸多缺點,如水平極化振子天線,其天線結構簡單,但其尺寸、阻抗和增益帶寬受限制,即使對其施加寬帶匹配網絡也很難滿足陣列寬帶和寬角掃描要求;工程上常使用的對數周期天線,雖然頻帶較寬、增益穩定,但其橫向和縱向尺寸大,不利于寬帶平面陣的組陣。為解決常規寬帶天線單元存在的這些缺點,提出一種新型低剖面寬帶相控陣單元,并對該相控陣天線單元電特性及組陣后特性進行研究,結果表明該相控陣單元具備很多優點,滿足寬帶平面相控陣的組陣要求,且該相控陣單元的設計方法可以為其他寬帶天線系統的設計提供參考。

2. 單元天線設計

2.1 設計思路

選擇合適的相控陣天線單元主要從電氣和結構上考慮。電氣方面:首先天線單元應有好的阻抗特性,作為發射天線單元,其阻抗具有寬帶特性是天線設計的要求之一;其次是天線具有合適的方向圖和增益,如天線掃描過程中天線單元具有較寬的主瓣寬度,在頻帶范圍內具有穩定的增益等等。結構方面,由于天線單元水平放置,天線單元的長度不能大于兩相鄰單元的間距,而天線間距的選擇主要考慮避免柵瓣出現,對矩形相控陣來說,最大理論間距[4]為,≤λ/(1+|sin|),其中為最大掃描角。綜上可知:天線陣列設計中單元長度、間距以及頻帶寬度相互矛盾,如天線工作頻率帶寬為3個倍頻程、=30°時,計算得到單元天線臂長為0.22λmax,遠小于半波對稱振子諧振長度,此時天線Q值較高,天線很難全頻帶阻抗匹配。因此,在滿足天線單元長度尺寸要求后,還需要對天線單元進行頻帶展寬設計,常見展寬電小天線單元帶寬[5]主要有兩種方法,第一種方法是犧牲效率換取一定寬度的工作頻帶,該方法缺點是增益降低,對于大功率發射天線單元而言工程實現較困難;第二種方法是采用調諧的概念來展寬帶寬,如對數周期天線,其天線振子處于不同的諧振狀態,但橫向和縱向尺寸較大,不利于水平定向組陣。根據以上分析過程,綜合已有寬帶天線設計方法,提出一種新型的低剖面寬帶相控陣單元,其示意圖如圖1所示。

圖1 天線單元示意圖

該相控陣單元設計思路的依據有三個方面,第一,天線單元結構上將上、下兩層振子揉合在一起分頻段工作,從而有效地減小了天線的占地面積,并增加了天線的帶寬;第二,對每層振子進行“增肥”設計,即選擇一些電特性好的寬頻帶振子,既滿足方向性要求又展寬頻帶;第三,在振子根部施加寬帶匹配網絡,進一步展寬天線單元的頻帶寬度。

加載匹配網絡展寬天線帶寬、降低天線端口駐波比的設計方法,需要充分考慮陣元之間的互耦影響。從陣列角度出發,根據網絡理論,各陣元的電壓、電流滿足方程

當各天線單元與相應饋線間連接匹配網絡時,則可將匹配網絡看成一個二端口網絡,通過推導得到公式

1)新的阻抗矩陣元素與網絡Z參數有關,選擇合適的網絡Z參數,可以展寬天線單元的帶寬;

2)當陣元特性不一樣時(由于在陣中的位置不同),調節網絡參數可以局部改善天線單元特性;

經過對結構和網絡進行優化設計,天線結構主要參數為:低頻振子長度 L約為0.22λmax,低頻振子距離反射面高度 H約為0.12λmax.

2.2 與常規天線比較

采用矩量法[6-7]求解天線單元的電流分布,首先根據細線天線電流的積分方程

將上式中微分用有限差分代替,把整個天線單元分為N+1段,則可得電流分布的近似算子方程。將基函數帶入近似算子方程,以δ函數為權函數進行點選配,可得到矩陣方程

利用計算機進行數值計算,便得到天線上的電流分布,進而可求得其他電參數。

圖2是通過數值計算得到的單元天線方向系數隨頻率的變化曲線,為與常規天線單元進行比較,圖中給出距離反射面高度為0.25λmax的半波對稱V型振子方向系數隨頻率的變化曲線。圖3為通過數值計算得到的單元天線方向圖和半波V型振子方向圖(在反射網的法線方向上)。

圖2表明天線單元方向系數隨頻率變化較小,而普通對稱振子隨頻率增加其方向系數變化較大。圖3表明,隨著頻率的增加,普通對稱振子方向圖發生分裂,不再滿足相控陣掃描要求,而新型天線單元方向圖變化較小。從方向系數隨頻率變化曲線以及不同頻點方向圖特性,可以看出提出的新型相控陣天線單元有很好的電氣特性,且具有頻帶寬、電尺寸較小、剖面較低等優點。

3.5×5平面陣計算

為更好地驗證天線單元可用于平面陣的組陣單元,計算此天線單元在5×5矩形平面陣中的電特性及陣列特性,5×5矩形平面陣示意圖如圖4。

圖4 5×5矩形平面陣示意圖

如果天線單元是作為發射天線單元,一般要求其輸入端口駐波比小于2.5,這樣可以保證振子和饋線之間實現有效的功率傳輸。在陣列中單元輸入端口駐波主要通過振子根部匹配網絡的調節而確定,限于篇幅這里不再贅述,詳見文獻[8-11]。這里主要給出天線單元在陣中特性,圖5為平面陣中心單元的駐波比隨頻率變化曲線,圖6為陣列中心單元在陣中的方向圖,圖7為天線陣在等幅等相激勵條件下頻率為3f min的方向圖。

圖5和圖6表明:在3倍頻程范圍內,單元天線的駐波比滿足要求,陣中單元方向圖滿足組陣后寬角波束掃描要求。根據Knittel[12]提出的匹配技術,減小單元間距可使阻抗隨掃描角的變化顯著減小,本文在5×5矩形平面陣的計算中,兩個方向上單元間距均為0.25,遠小于一般情況下的0.5,且在掃描情況下其阻抗相對變化較小,有效地改善了相控陣天線設計中寬帶寬角掃描問題。下一步將對開展天線縮比模型實驗進行深入研究。

4.結 論

基于目前一些應用系統對水平極化相控陣天線單元提出的高要求,在對傳統寬帶天線單元優缺點分析的基礎上,綜合已有寬帶天線單元設計方法,提出一種新型低剖面寬帶相控陣天線單元。通過采用矩量法對天線單元電特性的分析和計算,并對結構進行優化設計,獲得了優良的天線性能和較好的結構尺寸。最后,對由此天線單元組成的5×5矩形平面陣進行分析和計算,結果表明:此天線單元滿足平面陣列的組陣要求,從而為寬帶寬角掃描的有源相控陣天線系統提供了一種新型的天線單元形式,且可為其他寬帶天線系統的設計提供技術參考。與常規的寬帶相控陣天線單元相比,該相控陣單元有如下突出特點:

1)天線單元剖面低,電尺寸小,低頻振子距離反射面高度約0.12λmax,長度僅約0.22λmax。

2)天線單元頻帶寬,可達3倍頻程。

3)寬頻帶內駐波比滿足小于2.5的要求,從而可實現功率的高效輻射。

4)該天線單元滿足平面陣列的組陣要求,且滿足寬角波束掃描要求。

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