一種低剖面強耦合寬帶相控陣天線的設計

申強強,汪雋瀟,楊 康

(中國船舶集團有限公司第八研究院,南京 211153)

0 引 言

基于強耦合效應的相控陣天線設計與傳統相控陣天線的設計有很大不同。在設計傳統相控陣天線時,天線單元設想為理想的點源,相對獨立,為了減小天線單元之間產生的耦合效應,可能會采取增加天線單元間距、在金屬底板上開槽、使用EBG結構等復雜措施,這些措施都增大了天線的設計難度及其最終的加工難度。而基于強耦合效應的相控陣天線利用天線單元之間的耦合效應拓展天線單元的帶寬,并在陣列寬角掃描時表現更好。在結構尺寸上,由于天線單元之間的耦合可縮減天線單元的尺寸,因此天線的剖面高度得以降低。

1 原理及設計

天線單元采用一種平面形式的強耦合蝶形振子天線,圖1給出了一個單元周期內天線單元的三維仿真模型,天線單元主要由蝶形振子、接地耦合貼片、反射板(含金屬支撐架)和微帶巴倫組成。蝶形振子通過微帶巴倫與同軸連接器連接,蝶形振子之間預留孔洞,微帶巴倫從孔洞中伸出,并與蝶形振子進行焊接。為了實現低剖面的特性,在相鄰天線單元之間引入容性接地耦合貼片,引入的電容起到儲能電荷的作用,使陣元末端的電流不會趨于零。加上外接電容對于緊密耦合的偶極子陣列來說,耦合度的強弱直接與重疊或交疊部分緊密相關,因而不同形式的耦合所能實現的帶寬也往往會有所不同。一般來說,陣元之間的容性耦合越強,陣列天線所能實現的帶寬也越寬,然而耦合強度畢竟受限,對帶寬的展寬也有一定的限制,因此,通過合理調整相鄰單元之間的耦合強度可以展寬陣中天線單元的帶寬[1]。

(a)天線單元

在工作時,偶極子天線兩個振子上的電流須保持180°的相位差,才能將能量很好地輻射出去。偶極子天線為一種平衡結構,而用于饋電的同軸連接器為非平衡結構,之間通過巴倫實現這種非平衡到平衡的轉換。微帶漸變線巴倫為一種常見的巴倫形式,能夠起到非平衡到平衡轉換和阻抗變換的作用[2]。這種巴倫結構是在印制板兩面印刷兩條寬度不同的漸變微帶線,同軸連接器的內導體與較窄的微帶線連接,外導體與另一邊的微帶線連接,這樣巴倫可將同軸連接器不平衡結構轉換為雙線的平衡結構。

可以通過無限大陣中的天線單元仿真來優化天線單元設計。在圖1(a)天線單元的4個側壁分別設置主從邊界條件,模擬無限大陣列中天線單元周圍電磁環境的周期性變化,在距離天線單元的頂部λL/2處,設置輻射邊界條件或PML邊界條件,吸收天線單元輻射出的電磁波。天線參數如表1所示,其中D為單元間距,W為天線子陣寬度,H為天線單元高度。

表1 天線尺寸表

依照蝶形振子方向進行切割,尺寸為DE×DH,蝶形振子之間的耦合貼片被分為兩部分。天線單元印制板采用介電常數2.2的Duroid 5880,厚度2 mm。圖2給出了無限大陣中天線單元的駐波特性仿真結果,在要求的頻率范圍內,天線方位面±45°掃描情況下,天線單元有源駐波≤2.5。

圖2 無限大陣中天線單元有源駐波

2 陣列天線測試

依據以上仿真的天線單元加工一個8×8的天線子陣樣件,天線單元之間的間距為0.35λ0,天線子陣尺寸為2.8λ0×2.8λ0,如圖3所示。

圖3 天線子陣照片

天線單元的有源反射系數通常無法直接測量得到,應先測量天線單元的無源反射系數和天線單元之間的傳輸系數,最終將測得的數據進行合成,最終得到天線單元的有源反射系數。在測試天線單元無源反射系數時,其他天線單元須連接匹配負載;在測試天線單元之間的傳輸系數時,其他天線單元也須連接匹配負載。有源反射系數可表示為

式中,an為第n個單元的幅度和相位;Smn為第m、n個單元之間的傳輸系數。

利用上式合成有源反射系數,最終可以將天線單元有源反射系數轉化為天線單元有源駐波。在合成第m個單元的有源反射系數時,利用了該單元的無源反射系數以及單元周圍的63個單元與m單元的傳輸系數。

圖4給出了中心單元在方位面掃描時的有源駐波,天線方位±45°掃描情況下,天線中心單元有源駐波≤3。

圖4 中心單元有源駐波

在微波暗室測試天線子陣,每一列天線單元通過一個1分8功分器合成,之后連接到一個6位數字移相器,最終通過控制每列天線的相位實現天線子陣方位面波束掃描控制。測試方向圖如圖5～圖7所示,天線子陣可實現方位±45°范圍內的波束掃描。

(a)主極化 (b)水平極化 (c)垂直極化

(a)主極化 (b)水平極化 (c)垂直極化

(a)主極化 (b)水平極化 (c)垂直極化

為了同時接收水平極化和垂直極化信號,天線設計為斜45°極化。但在波束掃描時可能出現極化扭轉,造成水平極化分量與垂直極化分量相差較大。因此,測量該天線掃描情況下水平極化和垂直極化分量,結果如圖8所示,圖中3條曲線自上而下分別為天線子陣主極化、水平極化、垂直極化在方位±45°掃描下的增益,水平極化和垂直極化兩個極化分量差異小于3 dB。在方位±45°掃描下天線極化未出現較大極化扭轉,保證對該范圍內水平極化和垂直極化信號均具有良好的接收能力。

3 結束語

本文設計了一種低剖面強耦合寬帶相控陣天線,該天線采用斜45°極化,兼顧了水平極化和垂直極化信號的接收需求。經過仿真與測試對比,天線在方位±45°掃描情況下有源駐波仍小于3,天線具有方位±45°范圍內波束掃描功能,并且極化特性良好,水平和垂直兩個極化分量差異小于3 dB,滿足工程需求。