天饋線伺服系統Ka波段高效微帶陣列天線

司 軍 高 星

(中國船舶重工集團有限公司第七二三研究所 江蘇揚州 225001)

0 引言

微帶天線因為其重量輕、剖面薄、造價低、易于共形以及很方便與有源電路集成的優點，越來越受到廣大天線工作者的青睞[1]。隨著對微帶天線廣泛深入的研究，微帶天線已在天線的寬頻帶、多頻工作、小型化、提高增益等方面取得了眾多的成果。傳統的微帶天線有帶寬窄的缺點，但經過多年天線研究者的努力，這一缺陷已得到有效改善，對于單貼片最大實現超過50%的帶寬[2]。

在天線陣列環境中，由于各陣元間存在能量上的相互耦合，對天線陣的性能產生了多方面的消極影響。在耦合饋電的微帶天線陣列中，影響天線效率的互耦主要來源于兩部分：一部分是某天線陣元的饋電終端耦合到其余陣元的饋電口的內部互耦；另一部分就是表面波。一方面對耦合饋電的饋電終端來講，能量不能全部通過耦合結構耦合至天線單元，有一部分能量通過饋電層的介質耦合至其余單元的饋電口，使各天線單元幅相誤差嚴重偏離設計值；另一方面雖然可以通過合理選擇介質厚度和介電常數抑制表面波，但由于表面波的最低次TM模的截止頻率沒有下限，仍然有一部分能量沿著介質表面傳播，從而使單個天線單元輻射效率降低。內部互耦和表面波都會引起微帶天線效率降低，造成天線增益下降。

針對Ka波段微帶天線效率不高的問題，本文提出了一種將饋電層各個饋電終端隔離以及輻射貼片的介質沿E面斷開的方法，使得陣列天線的互耦得到很好的抑制，Ka波段微帶陣列天線的效率進一步提高。

1 天線單元設計

直接饋電微帶天線的工作帶寬相對較窄，在某些工作環境下，需要進一步展寬帶寬，則需要在結構上進行改變，文獻[3]提到了一些改進的方法，本項目采用耦合饋電的方式來實現帶寬的展寬。

文獻[6]表明微帶天線介質厚度主要依據最低次TE型表面波的截止頻率進行選擇，根據TE型表面波的截止頻率與介電常數和介質厚度關系為

(1)

選擇該天線的介質厚度為0.254mm，介電常數為2.3，可計算得到，最低次的表面波在25.9GHz頻率上才能被激勵起來。

天線單元為六層結構，從上至下分別為：輻射貼片、輻射層介質、接地層、饋電層介質、信號層、饋電層介質、接地層，每層介質厚度為0.254mm，考慮微帶多層加工粘接膜的厚度以及每層金屬厚度，天線單元總厚度為0.787mm。依據天線單元所占面積建立單元周期邊界仿真模型，驗證陣列環境中的天線性能，如圖1所示。

圖1 陣列中單元駐波

2 陣列設計

以設計完成的天線單元構建1個4×4微帶陣列，單元間距為8.1mm×8.1mm。微帶陣列采用同軸饋電，通過饋電網絡實現對陣列的各個天線單元進行等幅同相激勵，圖2(a)和圖2(b)為未采取互耦抑制措施4×4微帶陣列的仿真模型及仿真方向圖，表1為天線仿真方向性系數。

圖2 常規4×4微帶陣列仿真模型及方向圖

表1 4×4陣列仿真方向性系數

從仿真結果可以看出天線口徑效率極低、頻帶內起伏很大，嚴重偏離設計預期。項目組通過電磁場仿真軟件分析了饋電介質和輻射層介質中的電場分布，如圖3所示，從圖中可以明顯看到饋電層互耦很嚴重，在介質和空氣分界面上有表面波傳播，這兩種互耦嚴重影響了天線的口徑效率。

圖3 饋電介質和輻射層介質中的電場分布

針對出現的問題，提出了將饋電層各個饋電終端隔離以及輻射貼片的介質沿E面斷開的互耦抑制措施。建立了一個改進后的4×4微帶陣列仿真模型如圖4(a)所示，圖4(b)為改進后的天線方向圖。改進后的電場分布如圖5所示。

圖4 改進后的4×4微帶陣列仿真數據

圖5 改進后饋電介質和輻射層介質中的電場分布

從圖3和圖5對比可以看出，采用饋電層終端隔離措施后，各單元之間內部耦合顯著減小，單元激勵更加均勻；采用輻射貼片的介質沿E面斷開的措施后，天線單元之間的表面波耦合也得到了一定程度的降低。

表2為改進后天線陣列的仿真方向性系數。從表2中可以看出，改進后天線陣列的效率較常規陣列來至少提高23%。

表2 改進后4×4陣列仿真方向性系數

3 樣件試制

為了驗證改進措施的有效性，項目組在完成微帶陣列設計和仿真的基礎上加工了改進后的4個4×4微帶陣列進行了測試。圖6為改進后加工的微帶陣列實驗件，圖7為改進后陣列測試方向圖。表3為實測天線陣列效率和仿真結果對比。

圖6 改進后4×4微帶陣列實驗件

圖7 改進后陣列測試方向圖

表3 仿真和實測天線效率對比

從實測結果可以看出，采取改進措施后天線效率明顯提升，進一步驗證了采取措施的有效性。

4 結束語

本文針對微帶陣列天線效率低下的問題，通過理論和電磁仿真分析了根本原因，并提出了一種將饋電層各個饋電終端隔離以及輻射貼片的介質沿E面斷開的方法，抑制了微帶陣列天線單元間的互耦，提高了天線口徑效率。數據和實測結果均證實了該技術的可行性和有效性，能夠實現高效率的微帶陣列天線，具有較強的參考價值。