適于相控陣應(yīng)用的寬帶微帶天線

馬春娥,陳智慧,田 壘

(中國空空導(dǎo)彈研究院,河南洛陽 471009)

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適于相控陣應(yīng)用的寬帶微帶天線

馬春娥,陳智慧,田 壘

(中國空空導(dǎo)彈研究院,河南洛陽 471009)

為實(shí)現(xiàn)微帶天線在相控陣天線的工程應(yīng)用,文中提及一種具備相控陣天線特性的微帶天線。該微帶天線采用雙層微帶貼片結(jié)構(gòu),同時(shí)以同軸探針背饋于微帶貼片的特殊方式,此微帶天線具備寬頻帶、寬波束、寬掃描角等特性且易加工制造,適合應(yīng)用于相控陣天線。同時(shí),以此微帶天線為天線單元仿真設(shè)計(jì)了11×11微帶陣列天線,經(jīng)加工裝配,最后對此實(shí)物進(jìn)行測試。測試結(jié)果表明此天線具備如下性能:在±50°掃描范圍內(nèi),陣中單元有源駐波小于2.5的帶寬超過26%;單元方向圖半功率波束寬度約為100°。

微帶天線;寬頻帶;寬波束;相控陣

0 引言

微帶貼片天線因其具有低剖面、易加工等優(yōu)點(diǎn)而廣泛應(yīng)用于陣列天線,國內(nèi)外的科技工作者對各類微帶天線做了大量的研究。文獻(xiàn)[1]介紹了一種邊饋雙層微帶貼片天線,該結(jié)構(gòu)利用雙諧振來展寬天線工作頻帶,此天線的相對工作帶寬可達(dá)10%左右,但此饋電方式貼片天線不具備寬角掃描特性;文獻(xiàn)[2]介紹了一種非輻射邊共面饋電的單層矩形貼片天線,此種天線饋電方式簡單,但帶寬較窄。相控陣天線單元一般要求天線具有結(jié)構(gòu)簡單、寬頻帶、大掃描角、高效率等特性。針對相控陣天線的工程應(yīng)用,文中介紹了一種適于相控陣應(yīng)用的雙層微帶貼片天線,此天線采用雙層貼片結(jié)構(gòu)形式以拓寬天線帶寬,采用同軸探針從天線背部給下層貼片饋電,上層貼片通過耦合方式從下層貼片給予饋電,上下兩層貼片在饋電點(diǎn)處均開適于點(diǎn)焊的圓孔,有利于與后端T/R模塊互連。仿真及實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,由于該單元天線具有寬波束、寬頻帶、寬角掃描低有源駐波等性能,同時(shí)其饋電方式簡單,節(jié)約陣面空間,適用于相控陣天線的單元應(yīng)用。

1 天線單元的設(shè)計(jì)

1.1 理論設(shè)計(jì)

天線結(jié)構(gòu)為雙層貼片結(jié)構(gòu),其中下層貼片為饋電貼片,上層貼片為耦合貼片。天線結(jié)構(gòu)見圖1。通過同軸探針給饋電貼片饋電,饋電貼片通過空間電磁耦合給耦合貼片饋電。

圖1 雙層微帶天線結(jié)構(gòu)示意圖

雙層微帶天線的輸入阻抗可以等效為含有初級和次級的耦合諧振電路,如圖2所示,兩個(gè)諧振電路,具有兩個(gè)諧振頻率。當(dāng)兩個(gè)諧振頻率相互接近時(shí),便形成頻帶展寬的雙峰諧振電路。

圖2 雙層微帶天線等效耦合電路

圖中:G1、L1、C1為饋電的總自電導(dǎo)、自電感、自電容;G2、L2、C2為耦合單元的總自電導(dǎo)、自電感、自電容;Cg為兩層單元的互電容。

1.2 天線單元仿真設(shè)計(jì)

本天線單元選取最常用的矩形貼片天線,且兩層貼片外型尺寸一致。上下貼片在饋電點(diǎn)處均開適于點(diǎn)焊的圓孔,天線組裝時(shí),只需通過上層寄生單元的圓孔將饋電探針焊接于下層的饋電貼片即可,工藝簡單,便于陣列微組裝。天線單元上下兩層介質(zhì)均采用常用的Rogers 5880介質(zhì)基板,基板的厚度為d=0.254 mm,介電常數(shù)為εr=2.2。該介質(zhì)板成本低,性能穩(wěn)定。

通過HFSS仿真軟件仿真計(jì)算完成天線單元設(shè)計(jì),仿真模型如圖3所示。為準(zhǔn)確的仿真天線單元的真實(shí)性能,焊接圓孔和焊料堆積情況納入優(yōu)化范圍。相控陣天線單元仿真設(shè)計(jì)一般需要兩步:第一步是孤立天線單元的仿真設(shè)計(jì),第二步是天線單元在陣中的仿真設(shè)計(jì)。孤立單元的仿真設(shè)計(jì)主要是通過調(diào)節(jié)天線貼片的長度、寬度以及饋電點(diǎn)的位置,優(yōu)化孤立天線單元的阻抗匹配、輻射特性,初步確定天線的電性能參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)。

圖3 天線單元仿真模型

文獻(xiàn)[3]介紹,適當(dāng)選擇矩形貼片的長寬比可以有效抑制天線的交叉極化,當(dāng)長寬比a/b≈1.5時(shí),交叉極化電平最低。在本天線單元仿真優(yōu)化中發(fā)現(xiàn)雙層貼片的長寬比變大降低天線的交叉極化,但是會降低天線的輻射阻抗,影響天線方向圖的對稱性。通過仿真優(yōu)化,當(dāng)上下兩層微帶貼片均為2.58 mm×2.58 mm的類正方形結(jié)構(gòu)時(shí),天線單元性能最優(yōu),天線單元的駐波曲線如圖4所示。

圖4 孤立單元駐波曲線

1.3 陣中天線單元有源駐波的仿真優(yōu)化

通常微帶貼片間的互耦是由空間波和表面波同時(shí)引起的[4]。互耦效應(yīng)的存在將導(dǎo)致:陣元輸入阻抗與孤立單元的輸入阻抗不同,陣元方向圖與孤立單元的方向圖不同,所以必須對已優(yōu)化的孤立天線單元加以修正。文獻(xiàn)[5-6]運(yùn)用空腔模型及反應(yīng)原理,導(dǎo)出了計(jì)算兩貼片之間互耦的互阻抗公式。文獻(xiàn)[7]中則運(yùn)用傳輸線模型及反應(yīng)原理得到兩貼片元間的互導(dǎo)納。這些方法由于所依據(jù)模型的限制,計(jì)算結(jié)果也受到了一定的限制,并不能全面的優(yōu)化天線單元在陣中的匹配性。

文中主要利用HFSS里周期邊界模擬無限大陣列陣中單元情況,通過微調(diào)天線單元的饋電位置,優(yōu)化天線單元在陣中的阻抗匹配特性,天線單元有源駐波仿真結(jié)果見圖5。在0°～50°掃描角度范圍內(nèi),天線單元的有源駐波小于2。

圖5 天線單元有源駐波

2 在陣列中的應(yīng)用

為了驗(yàn)證該雙層微帶天線可廣泛應(yīng)用于相控陣天線,首先仿真設(shè)計(jì)了一個(gè)11×11的陣列天線,仿真模型見圖6。天線單元間距為0.6λ0(λ0為中心頻點(diǎn)空間波長),當(dāng)只有陣中央單元饋電時(shí)(其他單元都處于匹配狀態(tài)),陣中央單元的方向圖如圖7所示,方向圖半功率波束寬度約為100°,增益約為7 dB,方向圖對稱性較好,且水平極化方向圖和垂直極化方向圖基本一致。

圖6 仿真陣列模型

圖7 陣中單元方向圖

為進(jìn)一步準(zhǔn)確的驗(yàn)證該雙層微帶天線組陣后天線陣列的掃描特性,文中將上述11×11天線陣列進(jìn)行實(shí)物加工并測試,陣列天線如圖8所示,陣列方向圖如圖9所示,波束掃描角度為0°時(shí)副瓣電平低于-12 dB,在其他掃描角度時(shí)低于-10 dB。

圖8 11×11天線陣實(shí)物圖

圖9 天線陣測試方向圖

3 結(jié)論

文中以相控陣天線對微帶天線的工程應(yīng)用為出發(fā)點(diǎn),通過分析微帶天線理論,設(shè)計(jì)了一款雙層背饋的微帶天線單元。并以此為單元組微帶陣列天線,通過仿真實(shí)物加工測試。此測試結(jié)果表明,在±50°掃描范圍內(nèi),陣中單元有源駐波小于2的帶寬超過26%;單元方向圖半功率波束寬度約為100°。此結(jié)果說明該天線相對帶寬不小于26%,且其具備不小于-50°～50°的波束掃描范圍,并易于加工制作。從結(jié)構(gòu)上和電性能上均說明該天線可廣泛應(yīng)用于相控陣天線。

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Broadband Microstrip Antenna for Phased Array Applications

MA Chun’e,CHEN Zhihui,TIAN Lei

(China Airborne Missile Academy, Henan Luoyang 471009, China)

For the application of microstrip antenna in phased array, a broadband miniaturized microstrip antenna with phased array was proposed. The microstrip antenna in this paper adopts double-layer microstrip structure with coaxial probe rear feeding it. The antenna possesses wide bandwidth, wide beam-width, wide scanning angle and easy to process and manufacture. The microstrip patch with these characteristics is suitable for application of phased array antenna. Finally, A 11×11 microstrip array with the element mentioned above has been designed, fabricated and tested. The measurement results show that:the bandwidth with active VSWR below 2.5 takes over 26% within ±50 degree scanning; Element pattern half-power beamwidth is about 100 degree.

microstrip; antenna; wide bandwidth; wide-beam; phased array

2014-12-08

馬春娥(1982-),女,山東荷澤人,工程師,研究方向:天饋設(shè)計(jì)。

TN821.8

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