基于寬波束磁電偶極子天線的寬角掃描線性相控陣列*

楊浩楠 曹祥玉 高軍 楊歡歡 李桐

(空軍工程大學信息與導航學院,西安 710077)

設計并加工了兩款基于寬波束磁電偶極子天線單元的寬角掃描線性陣列.首先,通過加載磁偶極子的方法拓展了天線單元的3-dB波束寬度.然后,基于該寬波束天線單元設計了兩款具有良好寬角掃描特性的一維陣列天線.實測結果表明,天線單元的E面方向圖3-dB波束寬度在9GHz—12 GHz均大于107°,H面方向圖3-dB波束寬度在7GHz—12 GHz均大于178°.E面陣列中心單元的有源駐波比在9GHz—13 GHz小于2,相對阻抗帶寬為36.36%.H面陣列中心單元的有源駐波比在9.6GHz—12.6 GHz小于2.5,相對阻抗帶寬為27.03%.E 面陣列在 9GHz—12 GHz可實現 ± 70°的有效寬角掃描.H 面陣列在 9GHz—GHz可實現 ± 90°的有效寬角掃描.與傳統的掃描陣列相比,設計的陣列可實現有效寬帶寬角掃描,在X波段相控陣雷達方面具有廣闊的應用前景.

1 引 言

相控陣天線因其波束捷變特性在軍事雷達領域及民用通信領域具有廣闊的應用前景,引起了學界的廣泛關注.微帶陣列天線因其具有剖面低、易加工及易與載體共形等優點已成為相控陣天線的主流形式.然而,對于微帶相控陣列天線而言,其主波束掃描范圍僅為 ± 50°,且掃描過程中增益會下降 4—5 dB[1].同時,微帶相控陣列天線的工作帶寬在實際應用中也有很大問題.這些缺點限制了微帶相控陣列天線的應用范圍,同時,也引起了學界對于寬帶寬角掃描相控陣列天線的廣泛研究.

近年來,學界提出了幾種拓展相控陣列掃描范圍的方法.第一種方法是利用方向圖可重構天線單元作為陣元[2-7].天線單元的3-dB波束寬度并不是非常寬,但是可以通過改變天線單元輻射方向圖進行波束切換,進而實現寬角掃描.同時,學界對于方向圖可重構磁電偶極子天線單元進行了深入研究,如H面波束寬度可重構磁電偶極子天線[8,9],雙面波束寬度可重構磁電偶極子天線[10].上述波束寬度可調的磁電偶極子天線在寬角掃描陣列的設計中應用前景廣闊.然而,這類天線單元引入了額外的電子元件及控制電路,從而增加了設計難度,并對輻射方向圖產生了不良影響.

與利用方向圖可重構天線單元作為陣元不同,另一類拓展相控陣列天線掃描范圍的方法是采用寬波束天線單元作為陣元.學界提出了多種拓展天線單元3-dB波束寬度的方法[11-19],如新型微帶磁偶極子天線[14]、 采用寄生像素層[15]以及使用電壁[16,17].值得注意的是,文獻[12]將常見的載體天線分為八類并指出了具有寬角掃描應用潛力的天線單元類型,從而為設計寬波束天線提供了指導思路.采用寬波束天線作為陣元使得陣列天線旁瓣水平升高,文獻[20]中的布陣策略可為解決這些問題提供參考.

常見的拓展相控陣列天線掃描范圍的方法還包括利用梯度超表面[21]作為陣列覆層.當陣列發射電磁波透過特定設計的梯度超表面時,波束偏轉至更低角域,從而拓展了陣列掃描范圍.

就上述文獻而言,大多數研究集中于某個頻點附近,也就是說,所設計的相控陣列天線僅能在點頻范圍內實現寬角掃描,而對于能夠在寬帶范圍內實現寬角掃描的相控陣列天線研究不足,而這也正是實際應用亟需的.

本文設計并測試了兩款基于寬波束天線單元的寬角掃描線性陣列.首先,通過加載微帶磁偶極子的方法拓展了天線單元的3-dB波束寬度.基于此,設計了兩款9單元一維掃描陣列并進行了加工測試.仿真和實測結果均表明,加載的微帶磁偶極子有效拓展了天線單元的3-dB波束寬度,所設計的一維陣列天線具備在寬頻帶范圍內實現寬角掃描的能力.

2 寬波束天線單元結構的設計與分析

本文提出的寬波束天線單元主要由兩部分組成(圖1).第一部分為微帶磁電偶極子天線,該結構與文獻[22]中設計的天線類似,通過介質板集成金屬化過孔技術獲得磁偶極子,水平輻射貼片則充當電偶極子.介質基板介電常數為4.4,損耗角正切為0.0025.第二部分為用來拓展天線3-dB波束寬度而加載的微帶磁偶極子,表1給出了天線單元的詳細結構參數.

天線單元的寬帶特性是寬帶陣列的前提.文獻[23]中提出的磁電偶極子天線是一款結構簡單、輻射性能穩定的寬帶天線.天線單元的寬波束特性可通過加載微帶磁偶極子實現.圖2展示了寬波束天線單元的設計流程.首先,改變了文獻[22]中天線的尺寸,使其工作于X波段,得到1號天線.然后,改變了1號天線的饋電結構及電偶極子的形狀以獲得更好的阻抗匹配特性,得到2號天線.利用電磁仿真軟件Ansys HFSS對2號天線單元進行仿真,計算其波束寬度.圖3給出了其在10 GHz下的輻射方向圖.由圖3可知,2號天線單元E面方向圖3-dB波束寬度僅為82.3°,未能達到希望的波束寬度100°,不能滿足寬角掃描相控陣列天線的設計要求.為拓展天線波束寬度,在電偶極子兩側加載了微帶磁偶極子.由圖3可得,加載微帶磁偶極子的3號天線,其E面3-dB波束寬度由82.3°拓寬至 115.8°,H 面 3-dB 波束寬度由 119.8°拓寬至 185.2°.

圖1 寬波束天線單元結構圖 (a) 三維圖； (b) 俯視圖Fig.1.Structure of the wide-beam antenna： (a) 3-D view； (b) top view.

表1 寬波束天線單元參數Table 1.Parameters of the wide-beam antenna.

圖2 設計流程Fig.2.The design process.

圖3 10 GHz 處 3-dB 波束寬度拓展效果Fig.3.The broadening effect of 3-dB beam-width at 10 GHz.

圖4給出了3號天線單元10 GHz處一個周期內的表面電流分布圖.由圖4可知,新增加的金屬化過孔表面電流與同側原有金屬過孔表面電流方向相同,從而在原有等效磁流M2的基礎上增加了兩個等效磁流M1和M3.磁流平行于金屬的模型可用鏡像原理分析.基于文獻[12]對常見載體天線的分類,“磁流平行于電壁”類天線在上半空間擁有近乎全向的方向圖.新引入的等效磁流加強了天線在低仰角區域的輻射,從而拓展了天線的方向圖波束寬度.

圖5給出了設計的寬波束天線單元的駐波比.由圖5可得,設計的天線單元在7.3—12.6 GHz駐波比小于2,相對阻抗帶寬為53.26%.圖6給出了設計的寬波束天線單元在7—12 GHz的輻射方向圖,表2給出了天線單元在該頻帶范圍內的3-dB波束寬度.由表2可得,天線單元的E面方向圖3-dB 波束寬度在 9—12 GHz均大于 107°,H 面方向圖3-dB波束寬度在9—GHz均大于178°.綜合駐波比及3-dB波束寬度來看,提出的天線單元已滿足寬帶寬角掃描相控陣列對于天線單元的設計要求.然而,波束展寬后,天線單元的增益下降.表3給出了參考天線及波束展寬后天線的增益數值.

將所提出的天線和目前已有的具有寬波束特性的磁電偶極子天線進行了對比(表4),由表4可得,本文所設計的磁電偶極子天線主要優勢在于雙面寬波束特性、寬帶特性及低剖面特性.

圖4 10 GH 處電流分布圖 (a) 0°； (b) 90°； (a) 180°； (b) 270°Fig.4.The distribution of electric current at 10 GHz： (a) 0°； (b) 90°； (c) 180°； (d) 270°.

圖5 天線單元駐波比Fig.5.VSWR of the antenna.

表2 天線單元 3-dB 波束寬度Table 2.3-dB beam-width of the antenna.

圖6 天線單元方向圖Fig.6.Radiation patterns of the antenna.

表3 2 號天線與 3 號天線增益對比Table 3.Comparison between Ant.2 and Ant.3.

表4 已報道寬波束磁電偶極子天線與本文天線特性對比Table 4.Comparison between the reported and proposed magneto-electric dipole antenna.

3 一維寬角掃描陣列設計

圖7給出了一維寬角掃描陣列的模型圖.設計的陣列均為9單元線性陣列.考慮到柵瓣抑制條件及陣中單元有源駐波比,E面陣列陣元間距選定為 12 mm,H 面陣列陣元間距選定為 9 mm.

4 加工與實測

為檢驗設計方法的有效性,對設計的一維線性掃描陣列進行了加工實測.圖8給出了加工樣品的實物圖.

陣列中心單元的有源駐波比由安捷倫N5230 C矢量網絡分析儀測試得到,陣列的掃描方向圖通過合成陣列中所有陣元的有源方向圖得到,因此,實際測量過程中沒有用到移相器及饋電網絡,僅通過微波暗室中的遠場方向圖測量系統測量得到了陣列中每一天線單元的有源方向圖.

圖9給出了陣列中心天線單元的實測有源駐波比.由圖9可得,E面陣列中心單元有源駐波比在 9—13 GHz 小于 2.與仿真結果相比,實測有源駐波比在 10.3—11 GHz 有所抬升,但仍小于 2.H 面陣列中心單元的有源駐波比,而在9.6—12.6 GHz小于2.5,實測結果與仿真結果吻合較好.

圖7 一維相控陣列 (a) E 面陣列； (b) H 面陣列Fig.7.The phased arrays： (a) E-plane array； (b) H-plane array.

圖8 陣列實物圖 (a) E 面陣列； (b) H 面陣列Fig.8.The prototypes of the arrays： (a) E-plane array； (b)H-plane array.

圖9 陣列中心單元實測有源駐波比 (a) E 面陣列； (b)H面陣列Fig.9.The active VSWRs of the unit at the center of two arrays： (a) E-plane array； (b) H-plane array.

圖10 E 面陣列實測掃描方向圖 (a) 9 GHz； (b) 10 GHz； (a) 11 GHz； (b) 12 GHzFig.10.The scanning patterns of the E-plane array： (a) 9 GHz； (b) 10 GHz； (c) 11 GHz； (d) 12 GHz.

圖11 H 面陣列實測掃描方向圖 (a) 9 GHz； (b) 10 GHz； (a) 11 GHz； (b) 12 GHzFig.11.The scanning patterns of the H-plane array： (a) 9 GHz； (b) 10 GHz； (c) 11 GHz； (d) 12 GHz.

表5 已報道X波段相控陣與本文相控陣天線特性對比Table 5.Comparison between the reported and proposed X-band phased arrays.

圖10給出了E面陣列的實測掃描方向圖.由圖10 可得,E 面陣列的掃描波束可覆蓋 ± 70°的角域范圍,掃描過程中天線增益損耗小于3 dB.實測結果與仿真結果吻合較好,驗證了E面陣列的掃描性能.

圖11給出了H面陣列的實測掃描方向圖.由圖11 可得,H 面陣列的掃描波束可覆蓋 ± 90°的角域范圍.掃描過程中天線增益損耗小于2 dB.實測結果與仿真結果吻合較好,驗證了H面陣列的掃描性能.

將本文提出的相控陣和已發表的代表性X波段相控陣天線的典型指標進行了對比(表5),由表5可得,本文所設計的相控陣主要優勢在于寬角掃描能力及低剖面特性.

5 結 論

本文設計了一款寬波束磁電偶極子天線單元,通過加載磁偶極子的方法拓展了天線的3-dB波束寬度,基于該天線單元,設計并測試了兩款寬角掃描陣列.實測結果表明,設計的一維掃描陣列可在9 GHz—12 GHz 實現有效寬角掃描.因此,本文所提出的加載磁偶極子的方法可為設計寬波束天線及寬角掃描陣列提供參考,所設計的一維寬角掃描陣列在X波段相控陣雷達方面具有廣闊的應用前景.