平面相控陣天線的單元設計與分析

汪 濤,劉士興,黃正峰,李 祥

(合肥工業大學 電子科學與應用物理學院,安徽 合肥 230009)

平面相控陣天線的單元設計與分析

汪 濤,劉士興,黃正峰,李 祥

(合肥工業大學 電子科學與應用物理學院,安徽 合肥 230009)

基于工作頻率在1.79 GHz的矩形微帶天線,利用FDTD進行建模和仿真,設計出幾種平面陣列天線。針對三角陣和矩形陣,分別計算了它們的遠場輻射方向圖,討論了陣列天線單元分布的影響，對比分析了微帶陣列天線的主要性能參數,計算了前后比和波瓣寬度,并得出了結論。仿真實驗結果表明,和三角陣相比,使用4元矩形陣能提供較高的增益和較低的柵瓣電平。

相控陣天線;平面陣列天線;遠場輻射方向圖;互耦

相控陣天線具有高增益、高功率、低旁瓣、波束掃描及波束控制等特性,因此在現代雷達、飛行器、衛星、射電天文學、通信、遙測、遙控等領域獲得了廣泛應用[1-2]。相控陣天線由許多固定的天線單元組成,這些單元相干饋電,并在每個單元上用可變相位或時延控制使波束掃描到空間給定的角度上[3]。因此,研究相控陣天線單元的輻射特性對相控陣天線的分析與綜合具有重要意義。機載平面相控陣天線是目前的飛行器及下一代飛行器中的重要設備,其作用相當于飛行器的“眼睛”,其作用距離和掃描角度類似于人眼的“視距”和“分辨力”。平面相控陣天線由于要求和飛行器表面共形,往往采用微帶天線或波導縫隙天線結構,由于微帶天線具有體積小、重量輕、易與有源電路集成、容易同安裝表面共形等優點[4],本文將采用由矩形微帶天線組建平面陣列天線。

根據電磁波的干涉與疊加原理,以及方向圖乘積定理,陣列天線的輻射特性取決于陣元結構、陣元排列、陣元的激勵和饋電方式等[5]。由于天線的方向圖函數是天線口徑分布的傅里葉變換,如果天線的方向圖是2個簡單方向圖的乘積,則該天線的口徑分布就是產生2個簡單方向圖的口徑分布的卷積。因此,一個矩形平面陣可以視為一個沿x軸排列的線陣和一個沿著y軸排列的線陣的卷積[6]。同理,如果以三角陣或矩形陣作為相控陣天線的單元,那么單元的輻射特性將制約著大型相控陣天線的性能。事實上,很多相控陣天線都是以小的陣列天線單元為基礎的[7]。矩形柵格排列是面陣最常用的一種排列方式,而在大型相控陣中為了節省單元和單元饋電系統,常采用三角形柵格陣列。為探討和比較三角陣與矩形陣的優劣,本文利用時域有限差分法(finite difference time domain,FDTD)對比分析了這兩種陣列單元的輻射特性?；诠ぷ黝l率為1.79 GHz的矩形微帶天線,設計了2元平面陣以及3元三角陣和4元矩形陣,利用FDTD分別計算了它們的遠場輻射方向圖,進一步討論了陣元間互耦的影響。

1 陣列天線單元的設計與仿真

陣列天線中,單元的性能直接影響整個陣列方向圖的性能,單元的性能好,則經過饋電網絡產生的陣列耦合后主瓣尖銳而副瓣較低,同樣的功率下天線的輻射距離較遠。本文的單元為矩形微帶天線,結構如圖1所示,圖中所示的天線參數:寬W=26.59 mm,長L=19.62 mm,介質基板厚度h=1.33 mm,介質基板介電常數εr=9.6[8-10],特性阻抗Z0=50 Ω的微帶饋線寬度為1.54 mm。用FDTD對該微帶天線進行分析計算,得到的仿真結果如圖2和圖3所示。圖2為該天線的回波損耗曲線,圖3為該天線的E面遠場輻射方向圖。該天線的工作頻率在1.79 GHz,在1～5 GHz范圍內,-10 dB帶寬為15 MHz,輸入阻抗為50 Ω，主瓣寬度約為180°左右。

圖1 矩形微帶天線的結構示意圖

圖2 矩形微帶天線的回波損耗曲線

圖3 矩形微帶天線的E面遠場輻射方向圖

2 平面陣列天線的設計方法與仿真結果

采用上述矩形微帶天線單元組成的二元平面陣列天線,陣元沿y軸均勻排列,y軸方向相鄰陣元間的距離為d0=40 mm,其陣元在x-y平面的排列如圖4(b)所示,陣元的激勵采用等幅同向電流激勵,由50 Ω的匹配微帶饋線對各個單元進行自由激勵[11-12],天線單元的饋線之間的互耦可忽略不計。使用FDTD仿真計算得到的三維遠場輻射方向圖、二維遠場輻射方向圖分別如圖5(b)、圖6和圖7所示。

采用上述矩形微帶天線單元組成的3元平面三角陣陣列天線,陣元沿x軸和y軸均勻排列,y軸方向相鄰陣元間的距離為d0=40 mm,x軸方向相鄰陣元間的距離為d1=20 mm,其陣元在x-y平面的排列如圖4(c)所示,陣元的激勵采用等幅同向電流激勵,由50 Ω的匹配微帶饋線對各個單元進行自由激勵。使用FDTD仿真計算得到的三維遠場輻射方向圖和二維遠場輻射方向圖分別如圖5(c)、圖6和圖7所示。

采用上述矩形微帶天線單元組成的4元平面矩形陣陣列天線,陣元沿x軸和y軸均勻排列,y軸方向相鄰陣元間的距離為d0=40 mm,x軸方向相鄰陣元間的距離為d1=20 mm,其陣元在x-y平面的排列如圖4(d)所示,陣元的激勵采用等幅同向電流激勵,由50 Ω的匹配微帶饋線對各個單元進行自由激勵。使用FDTD仿真計算得到的三維遠場輻射方向圖和二維遠場輻射方向圖分別如圖5(d)、圖6和圖7所示。

由于各個天線單元采用單獨饋電,且對各個單元加入完全相同的激勵信號,此時各個天線單元將產生完全相同的輻射場。對比圖4、圖5、圖6和圖7可見,該仿真實驗中陣列天線輻射特性的變化取決于陣元排列和陣元數目的增加。從圖6可見,4元矩形陣的E面遠場輻射強度和H面遠場輻射強度均比3元三角陣要大,而且矩形陣的波瓣寬度要比三角陣更窄。矩形陣的前后比為6.7,三角陣的前后比為2.6;矩形陣的波瓣寬度為212°,三角陣的波瓣寬度為268°。同時,3元陣和2元陣的輻射特性相似,均遠大于矩形微帶天線的輻射強度。依據平面陣列的卷積處理方法,對比圖5和圖6可見,陣元在y軸方向耦合的影響要強于陣元在x軸方向耦合的影響。從圖7中可見,三角陣和矩形陣的E面遠場方向圖主瓣偏離了0°方向,分別為343°和352°。通過對比分析陣列天線的遠場輻射方向圖和增益可知,依據方向圖乘積定理和平面陣列的卷積處理方法,在相同陣元等幅同相的陣列天線波束控制中,采用不同陣元數和不同空間排布的陣列天線,是天線設計與綜合的一種有效方法。

圖4 平面陣列天線的空間排列和FDTD建模圖

圖5 平面陣列天線的3維遠場輻射方向圖

圖6 平面陣列天線在1.79 GHz的E面(V/m)和H面(A/m)遠場輻射方向圖

圖7 極坐標中平面陣列天線在1.79 GHz的E面遠場輻射方向圖

3 結論

通過對三角陣和矩形陣相控陣天線單元的設計,利用FDTD仿真和計算,可以得出各陣列天線的三維和二維遠場輻射方向圖,結論如下:

(1) 矩形陣的增益和方向性比三角陣要好,其原因可以從方向圖乘積定理和平面陣列的卷積處理方法得到。

(2) 采用三角陣,其陣元數目與矩形陣相比將大大減少;

(3) 三角陣輻射特性將遠比微帶天線單元的輻射要強,約在20～30倍左右。相比直接以矩形微帶天線作為相控陣天線單元,采用三角陣或矩形陣作為平面相控陣天線的單元,將獲得更強的大型陣列輻射特性。分析表明,使用三角陣列天線和矩形陣列天線作為相控陣天線的單元,其性能要優于直接使用矩形微帶天線作為相控陣天線的單元。同時,由于陣列天線的主瓣寬度較大,副瓣寬度較小,因此,使用四元矩形平面陣列天線構造機載平面相控陣天線,可獲得較大的作用距離和寬曠的掃描角度;而且副瓣寬度較小則提高了飛機抗偵查能力。

進一步的研究中,將基于4元平面陣,構建4×4相控平面陣天線,并使用微波網絡分析法和HFSS軟件精確設計其饋電網絡和輻射性能。

References)

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Design and analysis of units for planar phased antenna arrays

Wang Tao,Liu Shixing,Huang Zhengfeng,Li Xiang

(School of Electronic Science and Applied Physics,Hefei University of Technology,Hefei 230009,China)

Based on a 1.79 GHz microstrip rectangle antenna,by using FDTD to model and simulate,the planar antenna arrays are designed. Focused on the triangular array and the rectangular array,the far field radiation patterns of these arrays are calculated and the influence of the distribution of antennas is discussed. The main performance parameters of microstrip antenna arrays are compared and discussed. The front-to-rear ratio and the main lobe width of the antenna arrays are calculated. The simulation results show that the rectangular array with four elements has higher antenna gain and lower grating lobes,compared with the triangular array.

phased array antenna;planar array antenna ;far radiation pattern;coupling

2014- 05- 27 修改日期：2014- 07- 25

國家自然科學基金項目“容忍軟錯誤的SoC芯片可靠性設計關鍵技術研究”(61106038)；安徽高校省級自然科學研究重點項目(KJ2012Z316)；合肥工業大學校內專項項目“用于無線局域網的天線陣設計與FDTD分析”(2012HGXJ0063)

汪濤(1981—),男,河南商城,在讀博士研究生，講師，研究方向為天線與射頻集成電路。

劉士興(1970—),男,安徽合肥,博士,副教授，研究方向為無線與射頻集成電路.

TN821.8

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1002-4956(2015)1- 0075- 04