一種新式串行饋電同時多波束微帶天線的設(shè)計

趙衛(wèi)標(biāo)，董　濤，韓　琳，王　昕

(北京衛(wèi)星信息工程研究所，北京100086)

?

一種新式串行饋電同時多波束微帶天線的設(shè)計

趙衛(wèi)標(biāo)，董濤，韓琳，王昕

(北京衛(wèi)星信息工程研究所，北京100086)

針對較大規(guī)模的串行饋電Blass多波束網(wǎng)絡(luò)設(shè)計的復(fù)雜性，通過減少90°耦合器的種類提出了一種簡化的設(shè)計方法，利用該方法給出了一種新式的微帶線結(jié)構(gòu)串行饋電同時多波束網(wǎng)絡(luò)，并以S頻段同時兩波束的天線為例進(jìn)行了設(shè)計驗證。重點設(shè)計了串行饋電同時兩波束網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)以及饋電網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵的組成單元90°耦合器，并對簡化帶來的誤差進(jìn)行了重點的理論和仿真分析，設(shè)計了與饋電網(wǎng)絡(luò)匹配的天線陣。對設(shè)計好的兩波束天線進(jìn)行了實物加工和測試，測試結(jié)果與仿真結(jié)果吻合較好，驗證了設(shè)計的正確性。

Blass網(wǎng)絡(luò)；串行饋電；同時多波束；90°耦合器

0　引言

隨著武器信息鏈[1]、通信衛(wèi)星等諸多領(lǐng)域的不斷發(fā)展，多目標(biāo)[2]同時通信的需求也日益迫切。

由于載體平臺對天線的體積和重量有嚴(yán)格的限制[3]，若使用多副天線實現(xiàn)多目標(biāo)同時通信，會增加天線的體積和重量[4]，并且會對天線間電磁兼容問題及平臺的可靠性造成影響[5]。采用多波束天線實現(xiàn)孔徑綜合[6]，即利用一副天線同時產(chǎn)生多個波束來實現(xiàn)多副天線的功能，可有效解決上述問題。

多波束天線的實現(xiàn)有多種方法，用多波束網(wǎng)絡(luò)加以實現(xiàn)即是其中的一種[7]。常見的多波束網(wǎng)絡(luò)有Blass網(wǎng)絡(luò)和Butler網(wǎng)絡(luò)等。Butler網(wǎng)絡(luò)只能在固定的指向形成正交的多個波束[8]，而Blass網(wǎng)絡(luò)則可以在任意的指向形成多個波束[9]。對于波數(shù)個數(shù)要求比較少的較大規(guī)模Blass多波束天線而言，其饋電網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計會比較復(fù)雜。因此，本文通過減少90°耦合器的種類對Blass饋電網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了簡化，提出了一種新式微帶線結(jié)構(gòu)串行饋電同時多波束網(wǎng)絡(luò)，并以S頻段同時兩波束的天線為例進(jìn)行了設(shè)計驗證。

1　多波束饋電網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計

1.1饋電網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)設(shè)計

饋電網(wǎng)絡(luò)采用串行饋電方式，結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。饋電網(wǎng)絡(luò)有2個輸入端口和8個輸出端口，給1×8的直線天線陣饋電，可以同時形成2個波束。

饋電網(wǎng)絡(luò)利用多個90°耦合器進(jìn)行級聯(lián)，在圖1中的饋線交叉點處放置90°耦合器，將輸入功率逐級分配到各個單元，同時利用90°耦合器端口的隔離特性增加不同波束之間信號的隔離度。通過改變固定移相線的長度來改變相位可以控制波束的指向。所以，設(shè)計串行饋電的饋電網(wǎng)絡(luò)就是通過仿真設(shè)計90°耦合器，用設(shè)計好的耦合器組成整個饋電網(wǎng)絡(luò)，通過調(diào)整固定移相線的長度調(diào)節(jié)相位來改變波束指向。

圖1　串行饋電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意

1.290°耦合器的設(shè)計

微帶結(jié)構(gòu)串行饋電網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計關(guān)鍵在于90°耦合器的設(shè)計。所設(shè)計的饋電網(wǎng)絡(luò)需要為1×8的天線陣饋電。為了實現(xiàn)等幅饋電，原則上需要設(shè)計功分比分別為1∶7、1∶6、1∶5、1∶4、1∶3、1∶2和1∶1的7種90°耦合器。為了簡化設(shè)計，只設(shè)計了功分比為1∶7的90°耦合器，用來代替其他功分比的耦合器。

圖2給出了90°耦合器的示意圖。當(dāng)耦合度C和輸入端口阻抗Z0給定時[10]，可以計算出耦合器的主線阻抗Za和支線阻抗Zb。

圖2　90°耦合器示意

1.3饋電網(wǎng)絡(luò)的誤差分析

饋電網(wǎng)絡(luò)的簡化使得饋電網(wǎng)絡(luò)的輸出由等幅饋電變?yōu)榉戎笖?shù)衰減饋電。下面首先定義2個指標(biāo)：饋電網(wǎng)絡(luò)輸出端口功率泄露比和波束功率利用率，然后分別從這2個指標(biāo)出發(fā)對簡化帶來的誤差進(jìn)行分析。

假設(shè)簡化設(shè)計中采用的90°耦合器的功分比為1∶(q-1)(q為大于1的正整數(shù))，則饋電網(wǎng)絡(luò)在8個輸出端口實際的幅度分布是按冪函數(shù)依次遞減的。波束1和波束2在8個輸出端口輸出的功率幅度分別滿足式(1)和式(2)。

(1)

(2)

由于90°耦合器的固有特性，波束2饋給饋電網(wǎng)絡(luò)輸出端口i(i=1，2，…，7)的一部分信號不可避免地會泄露到輸出端口i+1，對饋入輸出端口i+1的信號造成干擾。定義由饋電網(wǎng)絡(luò)輸出端口i泄露到輸出端口i+1的信號功率與饋入輸出端口i+1的信號功率之比為饋電網(wǎng)絡(luò)的輸出端口功率泄露比p1，可以推導(dǎo)出p1為：

(3)

波束功率利用率定義為由每個波束饋入饋電網(wǎng)絡(luò)所有輸出端口的功率之和與輸入該波束的總功率之比。在式(1)和式(2)對輸出端口功率幅度的計算中，已經(jīng)默認(rèn)每個波束的輸入總功率都為單位一。那么每個波束饋入饋電網(wǎng)絡(luò)所有輸出端口的功率之和即為該波束的功率利用率。波束1與波束2的功率利用率p2和p3分別為：

(4)

(5)

在等幅饋電的網(wǎng)絡(luò)中，理想的波束功率利用率應(yīng)等于1，所以簡化網(wǎng)絡(luò)的波束功率利用率p2和p3也反映了幅度指數(shù)衰減饋電的功率增益與等幅饋電功率增益相比的衰減值。

分析可知，饋電網(wǎng)絡(luò)輸出端口功率泄露比p1與波束功率利用率p2和p3是相互矛盾的。增大q的取值，會使p1降低(變好)，同時會使得p2也降低(變差)，p3則是先升高再降低(在q=4時取得最大值)。為了使p1取得較低值同時p2和p3的取值也較大，限制p1小于-6 dB且p2和p3大于50%。滿足上述限制的q取值范圍為6≤q≤10(且q取正整數(shù))。折中考慮，選取q=8，即選取功分比為1∶7的90°耦合器。此時波束1和波束2的功率利用率分別為65.64%和57.43%，換算成dB值分別為-1.83 dB和-2.41 dB。輸出端口功率泄露比也比較小，等于-7.87 dB。

等幅饋電與簡化后幅度指數(shù)衰減饋電(q=8)對應(yīng)的同時兩波束仿真方向圖對比如圖3所示。

圖3　同時兩波束仿真方向圖對比

由圖3可知，簡化后的幅度指數(shù)衰減饋電仿真方向圖與等幅饋電的方向圖相比，其位于0°以及33°處的主瓣增益分別下降了-1.90 dB和-2.36 dB，所有副瓣增益的下降值位于-2.13～-1.97 dB之間，所有的零深都稍有升高。由于天線的能量主要集中在主瓣，所以主瓣處的增益下降仿真值與利用波束功率利用率得出的增益下降理論值-1.83 dB和-2.41 dB比較接近。副瓣處的增益下降仿真值處于2個主瓣處增益下降仿真值之間?？傮w來看，2種幅度分布對應(yīng)的方向圖總體趨勢基本一致。

1.4饋電網(wǎng)絡(luò)的幅相特性分析

由于用功分比為1∶7的90°耦合器代替了其他功分比的耦合器，所以饋電網(wǎng)絡(luò)在8個輸出端口實際的幅度分布按指數(shù)函數(shù)依次遞減。波束1和波束2在8個輸出端口輸出的功率幅度分別滿足式(6)和式(7)。

(6)

(7)

以同時兩波束指向分別為0°和33°為例進(jìn)行設(shè)計，在半波長的陣元間距下對應(yīng)的陣內(nèi)相位差由式(8)決定。

Δφm=2πdsinθm/λ。

(8)

式中，d為陣元間距；θm為波束指向。經(jīng)計算0°和33°的波束對應(yīng)的陣內(nèi)相位差分別為0°和98°。

2　天線陣的設(shè)計

天線陣是微帶形式的8元線陣。天線單元為S頻段微帶切角開槽圓極化形式，采用同軸底饋。

陣元間距對陣列性能有很大影響。陣元間距過大會導(dǎo)致天線陣在大角度掃描時出現(xiàn)柵瓣[11]。陣元間距過小又會增大天線單元之間的互耦[12]，對陣中單元的端口匹配特性和輻射方向圖造成影響。綜合考慮陣元間距對柵瓣和單元互耦的影響，選取陣元間距為中心頻率處的半波長。

選取Taconic的RF-60A介質(zhì)基片(相對介電常數(shù)為6.15，厚度為1.52 mm)，使用高頻電磁仿真軟件HFSS對饋電網(wǎng)絡(luò)和天線陣列進(jìn)行仿真優(yōu)化，得到的仿真模型如圖4所示。圖4(a)中的端口a和端口b為2個波束的輸入端口，端口1～8為饋電網(wǎng)絡(luò)的8個輸出端口。

圖4　饋電網(wǎng)絡(luò)和天線陣仿真模型

該多波束天線的波數(shù)個數(shù)具有可擴展性，能夠根據(jù)實際需要通過增加耦合器的行數(shù)來增加波束的個數(shù)，同時三波束饋電網(wǎng)絡(luò)模型如圖5所示，其中端口a、端口b和端口c為3個波束的輸入端口，端口1～8為饋電網(wǎng)絡(luò)的8個輸出端口。

3　仿真與測試結(jié)果

對優(yōu)化好的同時兩波束天線仿真模型進(jìn)行加工實測，天線的仿真與實測結(jié)果如圖6所示。

圖6(a)、圖6(b)和圖6(c)分別給出了多波束天線2個波束輸入端口的反射系數(shù)S11和同時兩波束輻射方向圖的仿真與實測結(jié)果比較。由圖6(a)和圖6(b)可知，多波束天線的波束1和波束2輸入端口仿真的阻抗相對帶寬(S11<-10 dB)分別為7.26%和6.40%，測試結(jié)果分別為6.91%和6.32%，仿真與測試曲線趨勢基本一致。由圖6(c)可知，在中心頻率處天線仿真與測試方向圖的主瓣基本吻合。

圖6　測試與仿真結(jié)果

4　結(jié)束語

提出了一種簡化的多波束網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，并以同時兩波束的天線為例進(jìn)行了設(shè)計、優(yōu)化仿真和實物加工測試。結(jié)果表明，該天線能夠在S頻段形成同時兩波束。該多波束天線具有Blass多波束天線的波數(shù)個數(shù)可擴展性，能夠根據(jù)實際需要增加波束的個數(shù)，可適用于武器信息鏈、通信衛(wèi)星等領(lǐng)域多目標(biāo)同時通信的需求。

[1]周鵬.美軍數(shù)據(jù)鏈發(fā)展研究[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù),2015(6):38-39.

[2]王錦江，任寶祥，續(xù)志明.多自適應(yīng)波束天線節(jié)點的最優(yōu)組網(wǎng)拓?fù)淇刂芠J].空軍工程大學(xué)學(xué)報,2015,16(1):62-66.

[3]陳霄，文剛.折疊展開波導(dǎo)在外力作用下橫截面可能性形變力學(xué)分析[J].機械,2008,35(8):41-43.

[4]秦文奕.坦克車載多天線系統(tǒng)的布局仿真分析[J].火力與指揮控制,2015(4):98-106.

[5]何治平，李際平，楊伏華，等.一種自組織VSAT衛(wèi)星通信系統(tǒng)[J].通信技術(shù),2015,48(9):1 058-1 061.

[6]任燕飛，張云，曾浩，等.新型寬帶數(shù)字多波束相控陣天線設(shè)計[J].電訊技術(shù),2013,53(7):932-937.

[7]李霞.多波束陣列天線饋電網(wǎng)絡(luò)及平面印刷中繼天線研究[D].西安:西安電子科技大學(xué),2013：1-5.

[8]陳鵬.平面集成圓極化天線和多波束天線的研究[D].南京：東南大學(xué),2009：67-68.

[9]CHEN P，HONG W，KUAI Z,et al.A Double Layer Substrate Integrated Waveguide Blass Matrix for Beamforming Applications[J].IEEE Microwave and Wireless Compo-nents Letters,2009,19(6):374-376.

[10]顧其諍，項家楨，袁孝康.微波集成電路設(shè)計[M].北京：人民郵電出版社,1978：291-293.

[11]羅天光.大間距相控陣天線柵瓣抑制方法研究[D].成都：電子科技大學(xué),2014：5-16.

[12]劉擁軍，王大鳴，胡捍英.一種小型四陣元GPS天線陣列的設(shè)計[J].電波科學(xué)學(xué)報,2009,24(5)：969-972.

趙衛(wèi)標(biāo)男，(1989—)，碩士研究生。主要研究方向:天線技術(shù)。

董濤男，(1975—)，博士，研究員。主要研究方向:相控陣天線理論與技術(shù)。

Design of a Novel Serial Feed Simultaneous Multi-beam Microstrip Antenna

ZHAO Wei-biao,DONG Tao,HAN Lin,WANG Xin

(BeijingInstituteofSatelliteInformationEngineering,Beijing100086,China)

For larger scale serial feed Blass multi-beam networks,complexity is one of its essential problems.A simplified design method is proposed through a reduction in types of 90° couplers,and a novel serial feed simultaneous multi-beam network consisting of microstrips is presented through this method.An S-band simultaneous two-beam antenna is used to verify the structure as an example.Especially,the structure of the serial feed simultaneous two-beam network and the 90° coupler are designed.A theoretical and simulation analysis is made for errors caused by simplification.Then the antenna array matching with the feed network is designed.The two-beam antenna is fabricated and tested.The test result is consistent with the simulated result,which confirms the validity of this design.

Blass network;serial feed;simultaneous multi-beam;90° coupler

10.3969/j.issn.1003-3106.2016.10.14

2016-07-12

科技部國際科技合作與交流專項基金資助項目(2012DFA11410)。

TN99

A

1003-3106(2016)10-0058-03

引用格式：趙衛(wèi)標(biāo)，董濤，韓琳，等.一種新式串行饋電同時多波束微帶天線的設(shè)計[J].無線電工程,2016,46(10):58-60,72.