一種基于縫隙電磁耦合饋電的印刷振子陣列天線研究

陳 偉，張 敏，郭玉霞，崔炳喆，2，王巖巖

(1.中國空空導彈研究院，河南 洛陽 471009;2.航空制導武器航空科技重點實驗室，河南 洛陽 471009；3.哈爾濱工業大學(威海) 信息科學與工程學院，山東 威海 264209)

0 引 言

在大多數以飛行器為載體的雷達和通信設備中，配置的天線系統通常具有較高的性能指標要求；天線不僅要滿足電氣指標及輻射指標，還需要滿足局域結構簡單、成本低、易共形等特性。近年來，隨著空空導彈抗干擾、抗雜波需求不斷提升，對空空導彈彈載天線設計也提出了更高的要求，不僅要考慮天線的抗過載能力、低副瓣特性、電磁兼容性，還需要兼顧成本及結構尺寸要求。研究并設計小尺寸、電磁兼容性好、副瓣低、過載能力大的彈載天線對提升雷達導引系統性能具有重要意義。

采用縫隙耦合饋電的印刷偶極子天線，具有工作頻帶寬、結構簡單、重量輕、易集成等特性，被廣泛應用于軍事和通信領域。王燦等人[1]設計一種寬帶雙極化印刷振子通信基站天線，該天線具有雙層貼片結構，通過饋電巴倫底部梯形彎曲結構提高了端口隔離度；采用雙臂上端附加短路T形貼片設計擴展了帶寬。隨后，后磊等人[2]提出了一種基于多諧振的寬頻對稱振子天線，具有波束指向穩定性好、增益高等特點，其巴倫轉換結構設計使得天線方向圖具有更好的對稱性。秦冬梅等人[3]提出了一種基于雙面平行帶線結構的印刷偶極子天線，由于采用漸變巴倫饋電結構，該天線具有良好的駐波帶寬，此外通過巴倫結構實現不平衡/平衡變換并完成阻抗匹配[4-9]。和傳統的半波振子天線類似，印刷振子天線的巴倫種類很多，設計較為復雜，而且結構和機械性能的一致性是一個難題；采用同軸線饋電是一種常見的饋電方式，饋電網絡結構復雜，電磁干擾嚴重，產生較大的電磁兼容性問題[10-11]。近年來，對印刷振子天線的研究集中在寬頻帶、圓極化、雙極化、小型化、陣列應用以及緊耦合等領域[12-18]。其中李蒙等人[19]設計了一種可用于5G網絡的印刷偶極子天線，利用地槽、曲流等技術增加帶寬，結構比較復雜且對加工精度要求高，工程實現性較差；常樹茂等人[9]提出了一種傘形印刷振子天線設計方案，較好地解決了彈載天線尺寸問題，但需要解決隔離度問題。

針對空空導彈彈載印刷振子天線電磁兼容性設計難題，本文提出了一種基于縫隙電磁耦合饋電的印刷振子陣列天線的實現方案，設計了一種縫隙結構的電磁耦合饋電網絡，改善了天線陣列的電磁兼容效果。通過引入耦合饋電方式，降低了饋電網絡設計的復雜性，利用金屬地板屏蔽與隔離方式以提高天線的輻射性能和電磁兼容性能，采用印刷振子天線方式替換傳統的金屬振子達到降低成本以及工程實現難度的目的。結合彈載天線常見波段范圍，優化設計了一種四單元直線型振子陣列天線，天線實測結果滿足設計指標。相對于傳統的振子天線，考慮工程可行性，設計的天線結構更為簡單，饋電方式易于設計，具有較好的工程應用價值[19]。

1 縫隙電磁耦合饋電印刷振子陣列天線的結構設計

本文提出的基于縫隙電磁耦合饋電的印刷振子陣列天線整體結構示意圖如圖1所示。圖1(a)為陣列天線的整體結構圖，天線整體由三層介質基板構成，最上層為振子輻射器層，中間層為印刷平面巴倫，最下層為饋電網絡層；圖1(b)為前視圖，圖1(c)為整體結構后視圖，可以看到天線的饋電網絡的形狀和位置。該天線選擇的微帶電路板的相對介電常數為2.65，其中上層介質基板厚度為1 mm,中間層、底層介質基板厚度均為0.5 mm。

圖1 印刷振子陣列天線的結構圖Fig.1 Structure of the printed dipole array antenna

利用HFSS軟件對印刷振子陣列天線進行參數化建模，并對巴倫和電磁耦合結構進行重點設計和優化。圖2給出了本文設計的印刷振子陣列天線的三層介質基板結構的模型圖和參數定義。

設計的印刷振子天線的輻射器為印刷半波振子，有四個相同的單元組成直線陣列，振子的長度為L_dipole，寬度為W_dipole；由于對稱印刷振子為平衡結構，因此需要加入巴倫實現不平衡到平衡之間的轉換，圖2(b)中的介質為平面印刷巴倫，它將微帶線的不平衡端轉換為平行雙線的平衡端，同時實現阻抗變換功能。電磁耦合結構主要由矩形縫隙、上層微帶線和下層微帶線組成，依靠矩形縫隙實現電磁能量的轉換和傳遞，該結構可等效為一個變壓器模型，其參數包括縫隙長度L_slot，縫隙寬度w_slot，微帶線偏離矩形縫隙中心線的位置pos_x_lower，這些參數根據阻抗匹配和諧振的要求，采用全波電磁仿真的方法確定其大小。圖2(c)為最下層的饋電功率分配網絡，本文采用一分二的等功分網絡，圖中包含了阻抗變換段和調諧調配結構。

圖2 印刷振子陣列天線的三層介質基板結構圖Fig.2 Structure of three-layer dielectric substrate for printed dipole array antenna

2 縫隙電磁耦合饋電設計印刷振子陣列天線仿真

本文采用全波電磁仿真軟件對基于縫隙電磁耦合饋電的印刷振子陣列天線進行參數化建模，并對天線結構進行掃參和優化，使天線駐波性能滿足指標要求。天線駐波 (VSWR)仿真結果如圖3所示，在18.7～19.2 GHz范圍內VSWR≤2，在18.5～19.4 GHz范圍內VSWR≯3。與此同時，從圖中還可以看出，中心頻點上天線輸入端的電阻約為50 Ω，電抗近似為零，天線處于諧振狀態。

圖3 天線電路特性仿真結果Fig.3 Simulation results of circuit characteristics for antenna

基于縫隙電磁耦合饋電的印刷振子陣列天線在中心頻率處的天線輻射方向圖仿真結果如圖4所示，圖中分別給出了天線E面和H面輻射方向圖。從仿真結果可知，該印刷振子陣列天線在E面的波束更窄，其中E面波束寬度約為21°，H面波束寬度約為43°；天線增益約為8.9 dBi，而且主瓣方向為近似線極化特性。

圖4 頻率為19 GHz時的輻射方向圖仿真結果Fig.4 Simulation results of radiation patterns at the frequency of 19 GHz

為了進一步研究結構參數對基于縫隙電磁耦合饋電的印刷振子陣列天線回波損耗特性的影響，仿真分析了振子長度、縫隙長度、縫隙寬度、參數L_1對回波損耗的影響，結果如圖5所示。從圖5中可以看出，天線的諧振頻率隨著振子長度、縫隙長度、縫隙寬度和參數L_1的增加向著低頻移動，耦合縫隙的寬度增大時，諧振效果變好。饋電微帶線偏離中心線的距離越大，諧振點高頻移動趨勢愈加明顯。總之，當振子長度為3 mm，縫隙長度為4.3 mm，縫隙寬度為0.48 mm ，L_1為3 mm，饋電微帶線偏離中心線的距離為1 mm時，設計的基于縫隙電磁耦合饋電的印刷振子陣列天線處于諧振狀態，效率較高。

圖5 回波損耗隨著結構參數的變化規律曲線Fig.5 Results of the return varying with structure parameters

3 印刷振子陣列天線的加工測試

基于縫隙電磁耦合饋電的印刷振子陣列天線的設計參數，對天線進行了加工、組裝和測試。采用微波矢量網絡分析儀對加工的基于縫隙電磁耦合饋電的印刷振子陣列天線的駐波特性進行測試，測試結果如圖6所示。由圖6可知，在工作帶寬內天線的電壓駐波比都低于2，天線處于諧振狀態。

圖6 天線電壓駐波比測試結果Fig.6 Test results of antenna VSWR

為了進一步分析天線性能，對本文設計的印刷振子天線陣列的輻射特性進行了測試。圖7為天線陣列工作在19 GHz時，輻射方向圖E面和H面實測結果。從測試結果可以看出，實測結果與圖4中的天線方向圖仿真結果基本一致(實測方向圖增益比仿真方向圖低0.5 dB)。

圖7 頻率為19 GHz時的輻射方向圖測試結果Fig.7 Test results of radiation patterns at the frequency of 19 GHz

4 結 論

本文提出了一種基于縫隙電磁耦合饋電的印刷振子陣列天線的實現方案，采用雙臂印刷振子作為輻射器，利用印刷平面巴倫激勵平衡振子臂，完成了一種基于縫隙結構的電磁耦合饋電網絡設計，采用金屬地板屏蔽與隔離方式，提高天線輻射器和饋電網絡間電磁隔離度，有效改善了天線的輻射性能和電磁兼容性能。設計的振子天線陣列采用印刷電路技術實現，結構緊湊，成本低廉，適合于工程應用。同時，仿真和優化了一個四單元直線陣列天線，研究天線的結構和參數，在工作帶寬內，天線性能滿足設計要求，測試結果與仿真一致。本文研究的基于縫隙耦合的陣列天線饋電方案同樣可用于空面、空地彈載天線設計，在通信、遙感、自動駕駛領域均具有重要的應用價值和借鑒意義。