一種帶狀線饋電的印刷對數(shù)周期天線

張 巖,李 哲

(1.海軍裝備部駐揚州地區(qū)軍事代表室,江蘇 揚州 225001;2.中國船舶集團有限公司第七二三研究所,江蘇 揚州 225101)

0 引 言

對數(shù)周期天線(LPDA)是一種非頻變超寬帶天線,它具有自相似結(jié)構(gòu),其電性能可以在10∶1甚至更寬的頻帶內(nèi)基本保持不變。一般的對數(shù)周期天線用金屬圓柱振子做成,其體積大,重量重,加工精度有限。將對數(shù)周期天線通過印制電路工藝制作在微帶基板上,構(gòu)成所謂的印刷對數(shù)周期天線(PLPDA),它具有重量輕、體積小、易于加工、制作精度高、一致性好的優(yōu)點。文獻[1]介紹了常規(guī)印刷對數(shù)周期天線的設(shè)計方法,文獻[2]介紹了一種分形結(jié)構(gòu)的小型化印刷對數(shù)周期天線的設(shè)計。

常規(guī)對數(shù)周期天線采用同軸電纜饋電[3],饋電點位于天線頂部,在較高的工作頻段(6 GHz或更高),電纜及焊接部位對天線的性能影響較大,常出現(xiàn)駐波增大,方向圖左右偏頭等問題,這限制了印刷對數(shù)周期天線在較高頻段的應(yīng)用。本文對常規(guī)同軸饋電結(jié)構(gòu)的印刷對數(shù)周期天線進行了分析,在此基礎(chǔ)上提出了一種基于帶狀線結(jié)構(gòu)的底端饋電印刷對數(shù)周期天線,并通過仿真分析,將帶狀線饋電與常規(guī)同軸饋電印刷對數(shù)周期天線的性能進行了對比。

1 常規(guī)印刷對數(shù)周期天線結(jié)構(gòu)

常規(guī)印刷對數(shù)周期天線是將輻射振子和平行雙線通過印刷電路工藝印制在同一塊微帶基板的正反兩面,平行雙線也稱為集合線,如圖1所示。通過同軸線從天線底部饋電,同軸線的外表皮焊接到平行雙線的一條導(dǎo)帶上,內(nèi)導(dǎo)體延伸彎曲后焊接到雙線的另一條導(dǎo)帶上,如圖2所示。

圖1 常規(guī)印刷對數(shù)周期天線結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 常規(guī)印刷對數(shù)周期天線饋電結(jié)構(gòu)示意圖

印刷對數(shù)周期天線的設(shè)計是在一般對數(shù)周期天線的基礎(chǔ)上,考慮微帶基板的影響,對天線的參數(shù)進行適當(dāng)修正得來的。

如圖3所示,印刷對數(shù)周期天線的幾何形狀由比例因子τ和間隔因子σ確定,具體有以下關(guān)系:

圖3 印刷對數(shù)周期天線結(jié)構(gòu)尺寸示意圖

(1)

(2)

式中:Ln為第n根振子的長度;dn為第n根和第n+1根振子間的距離。

印刷對數(shù)周期天線的具體設(shè)計步驟如下:

(1) 確定比例因子τ和間隔因子σ:比例因子τ和間隔因子σ的選取主要綜合考慮天線增益以及波束寬度的要求決定,τ、σ與增益、波束寬度的關(guān)系可以通過查閱文獻[4]中的圖表得到。

(2) 計算各振子的長度和振子間距:天線振子的最大長度與最小長度由最低工作頻率和最高工作頻率決定,最長振子長度為:

L1=K1λmax

(3)

K1=1.01-0.519τ

(4)

最短振子的長度為:

Lmin=K2λmin

(5)

K2=7.08τ3-21.3τ2+21.98τ-7.3+

σ(21.82-66τ+62.12τ-18.29τ3)

(6)

式中:λmax和λmin分別為最低和最高工作頻率對應(yīng)的波長;K1和K2為截止常數(shù),由經(jīng)驗公式確定。

一旦L1確定,就能由式(1)確定其他振子的長度:L2=τL1,L3=τL2,…,Ln=τn-1L1。

(3) 計算振子寬度:在對數(shù)周期偶極子天線中偶極子的半徑:

an=Ln/(l/a)

(7)

式中:l/a為偶極子長度半徑比,一般取為125。

一般印刷對數(shù)周期天線的振子線寬為:

Wn=πan

(8)

(4) 計算集合線寬度:首先,根據(jù)機械強度、介質(zhì)損耗、成本等綜合因素選擇微波介質(zhì)基板的厚度和介電常數(shù),然后,開始計算集合線的寬度。要計算集合線寬度就要計算未加載的集合線特性阻抗Z0。Z0由加載后的集合線特性阻抗R0、偶極子長度直徑比L1/2a1、τ、σ決定。R0與饋線特性阻抗相等時輸入端達到匹配。考慮到高頻端非諧振振子的電容加載作用,R0比50 Ω要稍大,取為65 Ω,則:

(9)

通過計算得到Z0后,即可通過平行雙線阻抗計算公式得到集合線的寬度。

本文設(shè)計的印刷對數(shù)周期天線工作頻段為6～18 GHz,綜合考慮機械強度及成本因素,選用的介質(zhì)基片為Rogers4350B,厚度1.524 mm,相對介電常數(shù)為3.66。通過理論計算和仿真優(yōu)化,初步確定的設(shè)計參數(shù)如表1所示。

表1 印刷對數(shù)周期天線設(shè)計參數(shù)

2 常規(guī)印刷對數(shù)周期天線性能分析

使用仿真軟件HFSS對常規(guī)印刷對數(shù)周期天線的性能進行分析,分別建立了理想集總端口(Lump Port)饋電和同軸線饋電的仿真模型,同軸線外導(dǎo)體直徑為2.2 mm,內(nèi)導(dǎo)體直徑為0.5 mm。除饋電端口不同外,其余設(shè)計參數(shù)均相同。仿真模型如圖4所示。

圖4 印刷對數(shù)周期天線仿真模型

仿真結(jié)果如圖5～圖7所示。

圖5 駐波仿真結(jié)果

圖6 集總端口饋電E面方向圖仿真結(jié)果

圖7 同軸線饋電E面方向圖仿真結(jié)果

從仿真結(jié)果可以看出,與理想集總端口饋電相比,同軸線饋電印刷對數(shù)周期天線駐波惡化嚴(yán)重,E面方向圖出現(xiàn)明顯的左右偏頭現(xiàn)象,而且工作頻率越高,影響越大。這是因為,在頻率高端,同軸電纜和焊接點帶來的不對稱性更加明顯,引起了振子表面電流幅度相位的變化,破壞了對數(shù)周期天線上下兩層振子電流幅度相等、相位相反的工作條件。

3 帶狀線饋電印刷對數(shù)周期天線設(shè)計

為了解決同軸電纜饋電帶來的性能惡化問題,本文提出了一種新型饋電方案,即使用帶狀線代替同軸電纜,將同軸接頭設(shè)置在天線底部(最長振子端),避免同軸線及焊接部位對方向圖的影響,同時在天線印制板兩側(cè)同時設(shè)置尺寸相同的帶狀線,保證天線的結(jié)構(gòu)對稱性不被破壞,解決不對稱性帶來的方向圖偏頭等問題。帶狀線饋電印刷對數(shù)周期天線結(jié)構(gòu)模型如圖8、圖9所示。

圖8 帶狀線饋電印刷對數(shù)周期天線仿真模型

圖9 帶狀線饋電印刷對數(shù)周期天線模型局部

如圖8和圖9所示,使用帶狀線代替同軸電纜,帶狀線地板寬度與集合線寬度相同,中心饋線寬度為0.5 mm,基板厚度為0.254 mm,介電常數(shù)為3.66。靠近天線頂端處將上層集合線開一個圓孔代替同軸線進行饋電,帶狀線中心條帶通過一個金屬過孔與下層集合線相連接。

將帶狀線饋電與理想端口饋電印刷對數(shù)周期天線性能進行對比分析,仿真結(jié)果如圖10、圖11所示。

圖10 駐波仿真結(jié)果(黑色曲線:集總端口饋電,紅色曲線:帶狀線饋電)

圖11 天線方向圖對比(黑色曲線:集總端口饋電,紅色曲線:帶狀線饋電)

從仿真結(jié)果可以看出,帶狀線饋電的印刷對數(shù)周期天線方向圖較為對稱,電性能與理想端口饋電天線較為相似。

4 結(jié) 論

本文設(shè)計了一種帶狀線饋電的印刷對數(shù)周期天線,該天線解決了常規(guī)印刷對數(shù)周期天線在頻率高端存在的駐波惡化、方向圖偏頭等問題。仿真結(jié)果表明,在6～18 GHz的頻帶范圍內(nèi),天線具有良好的電性能,增益和波束寬度穩(wěn)定,拓寬了印刷對數(shù)周期天線的應(yīng)用范圍。