一種寬帶低副瓣微帶陣列天線的設(shè)計

楊亞兵 趙迎超 李緒平 田 江

(西安電子工程研究所 西安 710100)

0 引言

微帶天線具有低剖面、重量輕、易共形等優(yōu)點，且易與有源器件、電路集成，適合規(guī)?；a(chǎn)，可以有效地降低系統(tǒng)成本。因此，在雷達、電子對抗、衛(wèi)星通信等領(lǐng)域，微帶天線得到了廣泛地應(yīng)用。然而，普通微帶天線主要缺點是工作頻帶較窄，這在一定程度上又限制了其應(yīng)用。另外，低副瓣天線設(shè)計是目前陣列天線設(shè)計的熱點和難點，是實現(xiàn)高性能雷達亟需解決的關(guān)鍵技術(shù)之一。微帶天線易于組陣，其饋電網(wǎng)絡(luò)形式靈活，采用微帶天線作為陣元設(shè)計低副瓣陣列天線是比較常見的形式［1］。

陣列天線的工作帶寬、增益、波束寬度以及副瓣電平等指標在很大程度上決定了整個系統(tǒng)的技戰(zhàn)術(shù)性能，而這些指標又是相互關(guān)聯(lián)的，在工程設(shè)計時需要折衷考慮?；诖?，本文提出了一種寬帶低副瓣微帶陣列天線的設(shè)計方法。單元天線采用底饋矩形貼片，通過建立互耦環(huán)境來修正設(shè)計參數(shù)、優(yōu)化貼片尺寸，改善了天線帶寬特性。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計了16 ×16 低副瓣微帶陣列天線并對其進行了仿真分析。設(shè)計結(jié)果表明，在所要求的9.5GHz ～10.5GHz頻段內(nèi)，該陣列天線電壓駐波比小于1.6，增益大于27.5dB，方位面與俯仰面副瓣電平均優(yōu)于25dB。可見，該微帶陣列天線具有10%以上的工作帶寬，且具有低副瓣特性。

1 理論計算

一般地，陣列天線低副瓣特性的實現(xiàn)主要方法是密度加權(quán)或者口徑幅度加權(quán)［2］。本文設(shè)計的低副瓣微帶陣列天線采用Taylor 口徑幅度加權(quán)。設(shè)計過程中，在保證陣列天線增益的基礎(chǔ)上，通過設(shè)計微帶不等幅饋電網(wǎng)路來滿足陣面幅度分布以實現(xiàn)陣列低副瓣特性。

為了實現(xiàn)兩維低副瓣特性，采用矩形陣列形式進行Taylor 面陣綜合。通常，矩形陣列天線的方向圖綜合可視為沿方位與俯仰兩個方向的線陣方向圖綜合，其電流分布可以通過Taylor 線源的離散化得到［3］。為了簡化起見，以方位面為研究對象來綜合陣列天線口面幅度分布。對于方位面，各個單元同相饋電且幅度呈對稱Taylor 分布。

已知線源離散單元數(shù)為16，間距為21mm，取等副瓣數(shù)為3，設(shè)計指標要求副瓣電平優(yōu)于22dB。要實現(xiàn)指標要求的副瓣電平，對于每個單元的饋電幅度和相位要求相對較高。為了保留一定的設(shè)計余量，副瓣電平的設(shè)計初值定為-28dB 來進行綜合。利用MATLAB 計算得到的各個單元歸一化幅度分布如圖1所示。

圖1 電流分布理論計算結(jié)果

2 天線設(shè)計

微帶陣列天線的設(shè)計主要包括天線陣面布局設(shè)計，陣面幅相分布，單元天線設(shè)計，饋電網(wǎng)絡(luò)設(shè)計以及整陣設(shè)計等。

2．1 單元天線設(shè)計

圖2 為本文所提出的單元天線結(jié)構(gòu)示意圖?？梢?，單元天線選用微帶貼片形式，其饋電方式為探針底饋，并且微帶饋線與輻射貼片共用地板。通?？梢圆捎玫徒殡姵?shù)的介質(zhì)基板，增大基板厚度等方法來降低Q 值，從而拓寬微帶天線的工作帶寬。但是，采用低介電常數(shù)的厚介質(zhì)基板會使天線表面波損耗增大，不利于輻射效率。

圖2 單元天線結(jié)構(gòu)示意圖

綜合考慮，本文采用厚度為2.5mm，介電常數(shù)為2.65 的聚四氟乙烯作為天線的介質(zhì)基板。微帶饋線基板選用與天線相同的材料，其厚度為1mm。另外，設(shè)計中適當?shù)卣{(diào)整輻射邊的尺寸使貼片呈長條形結(jié)構(gòu)可以有效地展寬單元天線的阻抗帶寬。

圖3 單元天線電壓駐波比曲線

采用Ansoft HFSS 對單元天線進行了建模仿真分析，圖3 為單元天線電壓駐波比曲線?？梢?，在要求的9.5GHz ～10.5GHz 頻段內(nèi)，所設(shè)計的單元天線電壓駐波比小于1.8，其阻抗帶寬大于10%。

處于陣列環(huán)境中，單元天線間互耦效應(yīng)會導(dǎo)致其輸入阻抗特性發(fā)生變化，使天線與饋線之間失配，從而造成陣列增益下降、帶寬變窄或者頻帶偏移等不利影響?？紤]到上述因素，建立一個3 ×3 面陣仿真模型，創(chuàng)建邊界條件來模擬陣列環(huán)境，如圖4所示。修正設(shè)計參數(shù)優(yōu)化貼片尺寸，以陣列正中心單元(5 號單元)帶寬為設(shè)計目標，在考慮互耦影響下進一步改善天線帶寬特性。

圖4 模擬面陣結(jié)構(gòu)示意圖(3 ×3)

2．2 饋電網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

陣列天線的單元數(shù)目、單元間距以及口徑分布在設(shè)計初始階段已確定，陣列各輻射單元所要求的激勵幅度和相位主要通過饋電網(wǎng)絡(luò)來實現(xiàn)。饋電網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計原則是保證各陣列單元所要求的激勵幅度和相位，以便形成所要求的輻射方向圖。因此，對饋電網(wǎng)絡(luò)要求輸入阻抗匹配良好、較小的饋電損耗、較寬的工作頻帶和簡單的結(jié)構(gòu)等［4］。

陣列天線的饋電網(wǎng)絡(luò)形式主要有并聯(lián)饋電和串聯(lián)饋電兩種形式，也有這兩種形式的組合。本文采用并聯(lián)饋電方式對各陣元饋電，利用不等幅功分器組成多級網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)所需要的幅度分布。采用的T型不等幅功分器示意圖如圖5所示，圖中Port1 為輸入端口，Port2 和Port3 為不等幅輸出端口［5］。

圖5 T 型不等幅功分器示意圖

由于Taylor 分布具有對稱性，所以只需要設(shè)計第一象限8 ×8 單元的網(wǎng)絡(luò)，而整陣饋電網(wǎng)絡(luò)可通過鏡像處理。對于第一象限網(wǎng)絡(luò)可逐級設(shè)計，上一級網(wǎng)絡(luò)完成以后再設(shè)計下一級，保證每一級網(wǎng)絡(luò)特性最優(yōu)。這樣的設(shè)計，過程簡單可控且一致性好。最終設(shè)計的第一象限饋電網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)如上圖6所示。

圖6 第一象限饋電網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)

2．3 陣列天線設(shè)計

饋電網(wǎng)絡(luò)設(shè)計完成以后，將16 ×16 單元天線與饋電網(wǎng)絡(luò)集成就可以得到所要求的陣列天線。陣列天線結(jié)構(gòu)如圖7所示，其整體結(jié)構(gòu)尺寸為336mm ×336mm × 3.5mm。整個陣列天線結(jié)構(gòu)中，微帶貼片位于頂層，饋電網(wǎng)絡(luò)位于底層，而中間層為地板。地板為微帶貼片與饋電網(wǎng)絡(luò)所共有，饋電網(wǎng)絡(luò)通過金屬探針與頂層輻射單元相連。

圖7 陣列天線結(jié)構(gòu)示意圖

地板位于中間層，即在微帶貼片介質(zhì)基板與饋電網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)基板之間。為了便于饋電，本文采用了一種新的饋電轉(zhuǎn)接結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)如圖8所示，其相當于共面波導(dǎo)與微帶線過渡形式，這兩者之間通過金屬化孔連接。SMA 連接器的金屬探針與共面波導(dǎo)相連，而共面波導(dǎo)位于中間地板層。SMA 法蘭盤與類“十字形”金屬地相連，該金屬地與饋電網(wǎng)路均位于底層。

圖8 共面波導(dǎo)-微帶線過渡結(jié)構(gòu)示意圖

在合理的設(shè)計陣列布局以及饋電結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，對整陣電性能進行了仿真分析，具體的仿真分析結(jié)果如下面圖9、圖10所示。

圖9 為陣列天線電壓駐波比隨頻率變化曲線?？梢姡谝蟮?.5GHz ～10.5GHz 頻段內(nèi)，微帶陣列天線電壓駐波比小于1.6，其阻抗帶寬大于10%，滿足指標要求。

圖9 陣列天線電壓駐波比

圖10 為陣列天線方位面與俯仰面歸一化輻射方向圖，可見，頻帶內(nèi)陣列天線副瓣電平均優(yōu)于25dB，達到了設(shè)計目的。仿真結(jié)果與設(shè)計目標存在一定差異，但是處。范圍之內(nèi)。

圖11 為工作頻段內(nèi)陣列天線增益仿真結(jié)果，可見其帶內(nèi)增益大于27.5dB，且增益起伏平緩。頻率為10.1GHz 處天線增益略有下降，這主要是該頻點處電壓駐波比較大所致。同時，根據(jù)天線口徑面與增益、效率之間的關(guān)系，可近似估算得到該陣列天線在工作頻帶內(nèi)效率大于45%。

圖10 陣列天線方向圖

圖11 陣列天線增益

3 結(jié)論

本文提出了一種寬帶低副瓣微帶陣列天線的設(shè)計方法，依此設(shè)計了16 ×16 低副瓣微帶陣列天線。設(shè)計結(jié)果表明，在所要求的9.5GHz ～10.5GHz 頻段內(nèi)，該陣列天線電壓駐波比小于1.6，增益大于27.5dB，方位面與俯仰面副瓣電平均優(yōu)于25dB?？梢?，該微帶陣列天線具有10%以上的工作帶寬且具有低副瓣特性。因此，本文所提出的設(shè)計方法具有一定的工程應(yīng)用價值。

［1］段文濤，魏宏亮，李思敏.低旁瓣十六元縫隙微帶天線陣的設(shè)計［J］.電子科技大學(xué)學(xué)報，2007，27(6):441-444.

［2］張海磊，劉玉杰.低副瓣雙波束微帶陣列天線［J］.遙測遙控，2009，30(6):25-30.

［3］薛正輝，李偉明，任武.陣列天線分析與綜合［M］.北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2011.

［4］劉新瓊，楊林，雷娟.S 波段大型功分饋電網(wǎng)絡(luò)設(shè)計［J］.空間電子技術(shù)，2010，1:101-103.

［5］張肇儀，周樂柱，吳德明等譯.微波工程［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2006.