基于寬波束磁電偶極子天線(xiàn)的寬角掃描線(xiàn)性相控陣列*

楊浩楠 曹祥玉 高軍 楊歡歡 李桐

(空軍工程大學(xué)信息與導(dǎo)航學(xué)院,西安 710077)

設(shè)計(jì)并加工了兩款基于寬波束磁電偶極子天線(xiàn)單元的寬角掃描線(xiàn)性陣列.首先,通過(guò)加載磁偶極子的方法拓展了天線(xiàn)單元的3-dB波束寬度.然后,基于該寬波束天線(xiàn)單元設(shè)計(jì)了兩款具有良好寬角掃描特性的一維陣列天線(xiàn).實(shí)測(cè)結(jié)果表明,天線(xiàn)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(duì)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(duì)阻抗帶寬為27.03%.E 面陣列在 9GHz—12 GHz可實(shí)現(xiàn) ± 70°的有效寬角掃描.H 面陣列在 9GHz—GHz可實(shí)現(xiàn) ± 90°的有效寬角掃描.與傳統(tǒng)的掃描陣列相比,設(shè)計(jì)的陣列可實(shí)現(xiàn)有效寬帶寬角掃描,在X波段相控陣?yán)走_(dá)方面具有廣闊的應(yīng)用前景.

1 引 言

相控陣天線(xiàn)因其波束捷變特性在軍事雷達(dá)領(lǐng)域及民用通信領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景,引起了學(xué)界的廣泛關(guān)注.微帶陣列天線(xiàn)因其具有剖面低、易加工及易與載體共形等優(yōu)點(diǎn)已成為相控陣天線(xiàn)的主流形式.然而,對(duì)于微帶相控陣列天線(xiàn)而言,其主波束掃描范圍僅為 ± 50°,且掃描過(guò)程中增益會(huì)下降 4—5 dB[1].同時(shí),微帶相控陣列天線(xiàn)的工作帶寬在實(shí)際應(yīng)用中也有很大問(wèn)題.這些缺點(diǎn)限制了微帶相控陣列天線(xiàn)的應(yīng)用范圍,同時(shí),也引起了學(xué)界對(duì)于寬帶寬角掃描相控陣列天線(xiàn)的廣泛研究.

近年來(lái),學(xué)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(gòu)天線(xiàn)單元作為陣元[2-7].天線(xiàn)單元的3-dB波束寬度并不是非常寬,但是可以通過(guò)改變天線(xiàn)單元輻射方向圖進(jìn)行波束切換,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)寬角掃描.同時(shí),學(xué)界對(duì)于方向圖可重構(gòu)磁電偶極子天線(xiàn)單元進(jìn)行了深入研究,如H面波束寬度可重構(gòu)磁電偶極子天線(xiàn)[8,9],雙面波束寬度可重構(gòu)磁電偶極子天線(xiàn)[10].上述波束寬度可調(diào)的磁電偶極子天線(xiàn)在寬角掃描陣列的設(shè)計(jì)中應(yīng)用前景廣闊.然而,這類(lèi)天線(xiàn)單元引入了額外的電子元件及控制電路,從而增加了設(shè)計(jì)難度,并對(duì)輻射方向圖產(chǎn)生了不良影響.

與利用方向圖可重構(gòu)天線(xiàn)單元作為陣元不同,另一類(lèi)拓展相控陣列天線(xiàn)掃描范圍的方法是采用寬波束天線(xiàn)單元作為陣元.學(xué)界提出了多種拓展天線(xiàn)單元3-dB波束寬度的方法[11-19],如新型微帶磁偶極子天線(xiàn)[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(xiàn)[12]將常見(jiàn)的載體天線(xiàn)分為八類(lèi)并指出了具有寬角掃描應(yīng)用潛力的天線(xiàn)單元類(lèi)型,從而為設(shè)計(jì)寬波束天線(xiàn)提供了指導(dǎo)思路.采用寬波束天線(xiàn)作為陣元使得陣列天線(xiàn)旁瓣水平升高,文獻(xiàn)[20]中的布陣策略可為解決這些問(wèn)題提供參考.

常見(jiàn)的拓展相控陣列天線(xiàn)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(dāng)陣列發(fā)射電磁波透過(guò)特定設(shè)計(jì)的梯度超表面時(shí),波束偏轉(zhuǎn)至更低角域,從而拓展了陣列掃描范圍.

就上述文獻(xiàn)而言,大多數(shù)研究集中于某個(gè)頻點(diǎn)附近,也就是說(shuō),所設(shè)計(jì)的相控陣列天線(xiàn)僅能在點(diǎn)頻范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)寬角掃描,而對(duì)于能夠在寬帶范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)寬角掃描的相控陣列天線(xiàn)研究不足,而這也正是實(shí)際應(yīng)用亟需的.

本文設(shè)計(jì)并測(cè)試了兩款基于寬波束天線(xiàn)單元的寬角掃描線(xiàn)性陣列.首先,通過(guò)加載微帶磁偶極子的方法拓展了天線(xiàn)單元的3-dB波束寬度.基于此,設(shè)計(jì)了兩款9單元一維掃描陣列并進(jìn)行了加工測(cè)試.仿真和實(shí)測(cè)結(jié)果均表明,加載的微帶磁偶極子有效拓展了天線(xiàn)單元的3-dB波束寬度,所設(shè)計(jì)的一維陣列天線(xiàn)具備在寬頻帶范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)寬角掃描的能力.

2 寬波束天線(xiàn)單元結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與分析

本文提出的寬波束天線(xiàn)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(xiàn),該結(jié)構(gòu)與文獻(xiàn)[22]中設(shè)計(jì)的天線(xiàn)類(lèi)似,通過(guò)介質(zhì)板集成金屬化過(guò)孔技術(shù)獲得磁偶極子,水平輻射貼片則充當(dāng)電偶極子.介質(zhì)基板介電常數(shù)為4.4,損耗角正切為0.0025.第二部分為用來(lái)拓展天線(xiàn)3-dB波束寬度而加載的微帶磁偶極子,表1給出了天線(xiàn)單元的詳細(xì)結(jié)構(gòu)參數(shù).

天線(xiàn)單元的寬帶特性是寬帶陣列的前提.文獻(xiàn)[23]中提出的磁電偶極子天線(xiàn)是一款結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、輻射性能穩(wěn)定的寬帶天線(xiàn).天線(xiàn)單元的寬波束特性可通過(guò)加載微帶磁偶極子實(shí)現(xiàn).圖2展示了寬波束天線(xiàn)單元的設(shè)計(jì)流程.首先,改變了文獻(xiàn)[22]中天線(xiàn)的尺寸,使其工作于X波段,得到1號(hào)天線(xiàn).然后,改變了1號(hào)天線(xiàn)的饋電結(jié)構(gòu)及電偶極子的形狀以獲得更好的阻抗匹配特性,得到2號(hào)天線(xiàn).利用電磁仿真軟件Ansys HFSS對(duì)2號(hào)天線(xiàn)單元進(jìn)行仿真,計(jì)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(hào)天線(xiàn)單元E面方向圖3-dB波束寬度僅為82.3°,未能達(dá)到希望的波束寬度100°,不能滿(mǎn)足寬角掃描相控陣列天線(xiàn)的設(shè)計(jì)要求.為拓展天線(xiàn)波束寬度,在電偶極子兩側(cè)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(hào)天線(xiàn),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(xiàn)單元結(jié)構(gòu)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(xiàn)單元參數(shù)Table 1.Parameters of the wide-beam antenna.

圖2 設(shè)計(jì)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(hào)天線(xiàn)單元10 GHz處一個(gè)周期內(nèi)的表面電流分布圖.由圖4可知,新增加的金屬化過(guò)孔表面電流與同側(cè)原有金屬過(guò)孔表面電流方向相同,從而在原有等效磁流M2的基礎(chǔ)上增加了兩個(gè)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(xiàn)[12]對(duì)常見(jiàn)載體天線(xiàn)的分類(lèi),“磁流平行于電壁”類(lèi)天線(xiàn)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(qiáng)了天線(xiàn)在低仰角區(qū)域的輻射,從而拓展了天線(xiàn)的方向圖波束寬度.

圖5給出了設(shè)計(jì)的寬波束天線(xiàn)單元的駐波比.由圖5可得,設(shè)計(jì)的天線(xiàn)單元在7.3—12.6 GHz駐波比小于2,相對(duì)阻抗帶寬為53.26%.圖6給出了設(shè)計(jì)的寬波束天線(xiàn)單元在7—12 GHz的輻射方向圖,表2給出了天線(xiàn)單元在該頻帶范圍內(nèi)的3-dB波束寬度.由表2可得,天線(xiàn)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(lái)看,提出的天線(xiàn)單元已滿(mǎn)足寬帶寬角掃描相控陣列對(duì)于天線(xiàn)單元的設(shè)計(jì)要求.然而,波束展寬后,天線(xiàn)單元的增益下降.表3給出了參考天線(xiàn)及波束展寬后天線(xiàn)的增益數(shù)值.

將所提出的天線(xiàn)和目前已有的具有寬波束特性的磁電偶極子天線(xiàn)進(jìn)行了對(duì)比(表4),由表4可得,本文所設(shè)計(jì)的磁電偶極子天線(xiàn)主要優(yōu)勢(shì)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(xiàn)單元駐波比Fig.5.VSWR of the antenna.

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

圖6 天線(xiàn)單元方向圖Fig.6.Radiation patterns of the antenna.

表3 2 號(hào)天線(xiàn)與 3 號(hào)天線(xiàn)增益對(duì)比Table 3.Comparison between Ant.2 and Ant.3.

表4 已報(bào)道寬波束磁電偶極子天線(xiàn)與本文天線(xiàn)特性對(duì)比Table 4.Comparison between the reported and proposed magneto-electric dipole antenna.

3 一維寬角掃描陣列設(shè)計(jì)

圖7給出了一維寬角掃描陣列的模型圖.設(shè)計(jì)的陣列均為9單元線(xiàn)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(shí)測(cè)

為檢驗(yàn)設(shè)計(jì)方法的有效性,對(duì)設(shè)計(jì)的一維線(xiàn)性?huà)呙桕嚵羞M(jìn)行了加工實(shí)測(cè).圖8給出了加工樣品的實(shí)物圖.

陣列中心單元的有源駐波比由安捷倫N5230 C矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)試得到,陣列的掃描方向圖通過(guò)合成陣列中所有陣元的有源方向圖得到,因此,實(shí)際測(cè)量過(guò)程中沒(méi)有用到移相器及饋電網(wǎng)絡(luò),僅通過(guò)微波暗室中的遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量得到了陣列中每一天線(xiàn)單元的有源方向圖.

圖9給出了陣列中心天線(xiàn)單元的實(shí)測(cè)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(jié)果相比,實(shí)測(cè)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(shí)測(cè)結(jié)果與仿真結(jié)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(shí)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(shí)測(cè)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(shí)測(cè)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(shí)測(cè)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(bào)道X波段相控陣與本文相控陣天線(xiàn)特性對(duì)比Table 5.Comparison between the reported and proposed X-band phased arrays.

圖10給出了E面陣列的實(shí)測(cè)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(guò)程中天線(xiàn)增益損耗小于3 dB.實(shí)測(cè)結(jié)果與仿真結(jié)果吻合較好,驗(yàn)證了E面陣列的掃描性能.

圖11給出了H面陣列的實(shí)測(cè)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(guò)程中天線(xiàn)增益損耗小于2 dB.實(shí)測(cè)結(jié)果與仿真結(jié)果吻合較好,驗(yàn)證了H面陣列的掃描性能.

將本文提出的相控陣和已發(fā)表的代表性X波段相控陣天線(xiàn)的典型指標(biāo)進(jìn)行了對(duì)比(表5),由表5可得,本文所設(shè)計(jì)的相控陣主要優(yōu)勢(shì)在于寬角掃描能力及低剖面特性.

5 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)了一款寬波束磁電偶極子天線(xiàn)單元,通過(guò)加載磁偶極子的方法拓展了天線(xiàn)的3-dB波束寬度,基于該天線(xiàn)單元,設(shè)計(jì)并測(cè)試了兩款寬角掃描陣列.實(shí)測(cè)結(jié)果表明,設(shè)計(jì)的一維掃描陣列可在9 GHz—12 GHz 實(shí)現(xiàn)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(shè)計(jì)寬波束天線(xiàn)及寬角掃描陣列提供參考,所設(shè)計(jì)的一維寬角掃描陣列在X波段相控陣?yán)走_(dá)方面具有廣闊的應(yīng)用前景.