一種Ku波段混合饋電頻掃天線陣設計

宋小弟　汪偉　金謀平　吳瑞榮

(中國電子科技集團公司第38研究所,合肥 230088)

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一種Ku波段混合饋電頻掃天線陣設計

宋小弟汪偉金謀平吳瑞榮

(中國電子科技集團公司第38研究所,合肥 230088)

摘要研制了一種俯仰向波束固定，方位向頻掃的Ku波段頻掃平面天線陣．采用雙層微帶結構獲得帶寬約18%的寬帶微帶貼片天線作為陣列單元．天線陣俯仰向采用微帶功分器及該種天線單元組成線陣．方位向為實現波束較大范圍的頻掃能力,并提高天線陣的工作效率采用波導慢波線縫隙與線陣微帶線電磁耦合結構進行饋電．在采用HFSS軟件完成仿真設計的基礎上，加工并測試了一套12×40規模的天線陣，結果表明該天線陣在工作頻段內駐波比優于1.5，波束掃描范圍大于80,副瓣電平優于-20 dB，除中心頻點外，增益大于26.5 dB．

關鍵詞微帶天線陣列;頻率掃描;電磁耦合

引言

目前,各種雷達與無線通訊應用需要越來越多的頻譜資源,而較低的波段已利用殆盡,因此工作頻率在Ku及以上波段的雷達與通訊設備逐漸嶄露頭角．相對于低頻段,Ku及以上波段的雷達具有定位精度高、帶寬大、天線重量輕、尺寸小等優點,在航空航天、氣象探測、機場場面監視等領域有廣泛應用[1-2]．

近年來,隨著微波固態元件和單片微波集成電路Monolithic Microwave Integrated Circuit, MMIC)技術的快速發展,電掃天線系統的生產成本有所降低,但在X波段及以上的微波高頻段,數字移相器、T/R組件等核心部件依然價格相當高．特別在單元數較多的情況下,整體系統比較復雜,且制造成本昂貴,是一般用戶所不能接受的．

頻掃天線作為電掃天線的一種,具有波束指向和波束形狀變化快速、易于形成多個波束、結構簡單、成本低等優點,早在20世紀60年代就已裝備部隊,并得到廣泛應用[3-4]．但由于頻掃天線的饋電一般采用慢波線串饋結構,存在著體積和重量較大、帶寬有限、效率不高等不足,制約了它的應用范圍．針對頻掃天線的這些不足,國、內外設計人員采用了多種方法進行改進設計[5-10]．本文在上述研究基礎上設計了一種波導慢波線電磁耦合縫隙饋電的Ku波段寬帶頻掃微帶天線陣,該天線陣具有尺寸緊湊,工作帶寬寬(波束掃描范圍大)等優點,HFSS仿真和實物測試結果證明了設計的有效性．

1寬帶天線單元與高效慢波線設計

1.1Ku波段寬帶微帶貼片天線單元設計

微帶天線具有重量輕、低成本易制作、低剖面易共形、極化靈活、易集成等優點,近年來被廣泛應用于個人通信、高速無線局域網、雷達和人造衛星等領域．

常規微帶天線在工程應用中最大的不足是帶寬窄,因此研究人員提出了多展寬帶寬的途徑,如在貼片上開縫開槽、采用多層結構、采用寬帶匹配、采用電磁耦合饋電等[11-13]．為滿足輕型、寬角掃描、低剖面、低成本等要求,本文設計了一種高效的非輻射邊饋電的Ku波段雙層寬帶微帶貼片單元．設計的天線單元結構示意圖如圖1所示．

天線單元采用了雙層微帶天線形式,所用微帶板材是Rogers公司的RT5880,厚度0.508 mm．為展寬工作頻帶并對上層微帶天線進行支撐,在上下層微帶板之間增加了泡沫層,型號為ROHACELL51．

(a) 天線單元俯視圖

(b) 天線單元側視圖圖1　印刷單極子天線結構示意圖

經過仿真優化后所得的寬帶微帶天線單元的回波損耗和低、中、高三個頻點的方向圖結果如圖2所示．該天線單元S11<-10 dB的相對帶寬大于18%,整個頻帶內3 dB波束寬度大于90°．

1.2高效慢波線饋電網絡設計

頻掃天線中,慢波線的作用是使波瓣的指向角成為頻率的函數,其表達式為

(1)

(a) 天線單元S11參數仿真結果

(b) fL的方向圖仿真結果

(c) f0的方向圖仿真結果

(d) fH的方向圖仿真結果圖2　天線單元S11參數與方向圖仿真優化結果

式中： θ為掃描角; L為單元間饋線長度; dx為掃描面單元間距; λ為工作頻率對應的自由空間中的波長; λg為工作頻率對應的導波長; m為單元間饋線長度對應的側射頻率導波長數．

對長度為L的傳輸線,傳輸兩個頻率信號時的相位差為

(2)

由式(2)可知,若想實現大角度掃描,可通過增加天線工作帶寬即增大(1/λg1-1/λg2)值或增加兩單元間的傳輸線長度L．但大帶寬的天線單元和饋電網絡的設計均較為困難,甚至難以實現．因此頻率掃描天線大角度掃描通常同時綜合增加帶寬和單元間的傳輸線長度兩種辦法來實現．

本文在上述寬帶微帶天線單元設計的基礎上,根據設計要求,參考公式[4]

(3)

(a) 波導慢波線結構示意圖

(b) 同軸波導變換結構示意圖圖3　波導慢波線和同軸波導變換結構示意圖

圖4　波導慢波線駐波仿真結果

確定L,仿真并優化設計了一種緊湊高效的蛇形慢波線,并在輸入、輸出端設計了易于加工的寬帶同軸波導變換．波導慢波線和寬帶同軸波導變換的結構示意圖和仿真結果如圖3、4所示．

從圖4的仿真結果可以看出,在中心頻率附近,駐波有較高點,其原因是在此頻率點,慢波線的長度為導波波長的整數倍,反射疊加最強．

2頻掃天線陣的設計、制作與測試

完成Ku波段寬帶微帶天線單元和緊湊高效的波導慢波線仿真優化設計后,根據工程需要,設計了由40列垂直方向均勻加權的微帶線陣構成的平面微帶天線陣和實現方位面幅度加權的波導慢波線與微帶線陣之間的電磁耦合饋電縫隙,結構示意圖如圖5、6所示．電磁耦合饋電縫隙的設計采用-25 dB Taylor幅度加權,根據理論與仿真計算,縫隙耦合度分布曲線如圖7所示．

圖5　平面微帶線陣結構示意圖

根據理論設計和仿真優化的結果,加工并制作了一套Ku波段混合饋電的寬帶高效頻掃天線陣,對其進行了駐波和方向圖性能測試,實物與測試結果見圖8、圖9、圖10和圖11．

圖6　電磁耦合縫隙結構示意圖

圖7　電磁耦合縫隙耦合度分布曲線

(a) 天線陣實物圖正面

(b) 天線陣實物圖背面圖8　天線實物圖

從圖9、圖10和圖11的測試結果可以看出,設計加工的Ku波段混合饋電頻掃天線陣,除中心頻點外:端口駐波均小于1.5,方位面副瓣低于-20 dB,增益大于26.5 dB,效率大于35%,頻掃描范圍-40°～+40°．

圖9　天線陣駐波測試

圖10　天線陣方向圖測試結果

圖11　天線陣增益測試結果

圖9中,中心頻率的測試駐波與仿真結果相比偏大,經分析原因有兩點:一是加工制造偏差,二是設計時對制作天線的材料在Ku波段的特性認識不充分．該問題已在后繼設計中予以改進,等待實測驗證．

3結論

為實現方位向大角度掃描并提高天饋系統的工作效率,綜合考慮寬帶微帶天線單元和波導慢波線的設計,并采用電磁耦合饋電方式將兩者結合起來,研制了一種Ku波段寬帶高效頻掃平面天線陣．在采用HFSS軟件完成仿真設計的基礎上,加工并測試了一套12×40規模的天線陣,測試結果表明該天線陣在工作頻段內除中心頻點外,駐波比優于1.5,波束掃描范圍大于80°,副瓣電平優于-20 dB,增益大于26.5 dB,證明了本設計的有效性．該天線陣已用于實際工程項目中,并在低成本電掃雷達中有良好的應用前景．

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Design of a Ku-band frequency-scanning antenna array fed by hybrid structure

SONG XiaodiWANG WeiJIN MoupingWU Ruirong

(38thResearchInstituteofChinaElectronicTechnologyCorporation,Hefei230088,China)

AbstractA Ku-band antenna array with fixed beam in elevation and frequency-scanning beam in azimuth was designed and implemented. By introduced double-layer microstrip patch configuration, element of the column linear array with 18% bandwidth was designed. In order to realize the beam scanning with frequency changed in azimuth and improve the array efficiency, the waveguide slow-wave line structure with electromagnetic coupled slot on narrow side was used as feed line. Based on the successful simulation results achieved by HFSS software, antenna array with 12×40 elements was implemented and tested. The results show that, except at the center frequency, the voltage standing wave ratio(VSWR) of the antenna array is below 1.5 at the operation band, the scan scope is up to 80 degree, the sidelobe is below -20 dB, and the gain is more than 26.5 dB.

Keywordsmicrostrip antenna array; frequency-scanning; electromagnetic coupled

收稿日期：2015-04-24

中圖分類號TN821.8

文獻標志碼A

文章編號1005-0388(2016)02-0340-06

DOI10.13443/j.cjors.2015042401

作者簡介

宋小弟(1974-),男,安徽人,2009年獲西安交通大學電磁場與微波技術專業工學博士學位,現為中國電子科技集團公司第38研究所高級工程師,主要從事相控陣天線及微波系統設計．

汪偉(1969-),男,安徽人,2005年獲上海大學電磁場與微波技術專業工學博士學位,現為中國電子科技集團公司第38研究所研究員,已發表論文80余篇,申請專利十余項,獲省部級科技獎兩項．主要從事天線與微波系統研究．

金謀平(1968-),男,安徽人,2000年獲西安電子科技大學電磁場與微波技術專業工學博士學位,現為中國電子科技集團公司第38研究所研究員,主要研究領域為天線與微波工程系統設計．

吳瑞榮(1978-),女,安徽人,碩士,現為中國電子科技集團公司第38研究所高級工程師,主要從事微波通信系統設計．

宋小弟, 汪偉, 金謀平, 等. 一種Ku波段混合饋電頻掃天線陣設計[J]. 電波科學學報,2016,31(2):340-345. DOI:10.13443/j.cjors. 2015042401

SONG X D, WANG W, JIN M P, et al. Design of a Ku-band frequency-scanning antenna array fed by hybrid structure [J]. Chinese journal of radio science,2016,31(2):340-345. (in Chinese). DOI: 10.13443/j.cjors.2015042401

聯系人： 宋小弟 E-mail: songxd942@sina.com