一種新型寬帶金屬腔體天線

孫立春， 汪偉， 官偉

(中國電子科技集團公司第三十八研究所， 安徽合肥 230088)

0 引言

隨著現(xiàn)代雷達、無線通信的飛速發(fā)展，對天線的加工制造、工作帶寬、剖面高度等特性提出了更高的要求，在某些具體應(yīng)用中，還要滿足諸如體積、重量、效率、加工、環(huán)境適應(yīng)性等方面的特殊要求。在眾多的天線類型中，微帶天線以重量輕、剖面低、易共形、方便制造、成本低等優(yōu)勢受到設(shè)計者的青睞，被廣泛使用于雷達系統(tǒng)、無線通信系統(tǒng)、小型飛行器[1]中。但是，微帶天線由于相對帶寬一般只有0.7%～7%，帶寬較窄，實際應(yīng)用受到了一定限制。因此，展寬微帶天線的阻抗帶寬具有重要意義。

微帶貼片天線的窄頻特性是由其高Q的諧振特性決定的[2]?？梢越档蚎值展寬帶寬。目前，主要有以下幾種微帶天線寬帶技術(shù)：降低基片介電常數(shù)；增加基片厚度；附加阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)，附加的匹配網(wǎng)絡(luò)增加了設(shè)計工作量，為了減少工作量，使用遺傳算法可減少仿真設(shè)計中全波仿真的計算量和優(yōu)化次數(shù)[3]，但該方法普遍適用性不高；采用多層介質(zhì)基片，將饋電網(wǎng)絡(luò)與貼片分別置于不同的介質(zhì)基片上，利用耦合的方式增加帶寬；天線加載，天線采用探針饋電，在探針上加裝電容可以有效展寬帶寬；采用特殊的貼片形式，如蝶形、三角形、L形等，都可以增加天線帶寬；使用背腔結(jié)構(gòu)，增大基片厚度增加帶寬等。但是，這些方法在實際使用時都有一定限制，低介電常數(shù)的基片比較少，如Rogers 5880的介質(zhì)基片的介電常數(shù)為2.2，但是該基片較軟，應(yīng)用環(huán)境不夠廣泛。單純增加基片厚度，對帶寬的增加效果有限，并且厚度太厚容易引入表面波的影響。附加阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)需要貼片間存在有效的空間放置匹配網(wǎng)絡(luò)。采用多層介質(zhì)基片的微帶天線設(shè)計復雜，且存在介質(zhì)間層壓、粘合、對準等制造工藝問題。天線加載一樣存在與多層介質(zhì)基片方法類似的工藝問題。使用背腔結(jié)構(gòu)可以有效擴展微帶天線帶寬，但是卻容易激勵起高階模式，天線的帶內(nèi)交叉極化性能差。

本文介紹了一種新型寬帶金屬腔體天線，天線由背腔式微帶天線改進而來。文獻[4]介紹了一種寬帶低剖面SIW背腔E形微帶貼片天線，天線可在剖面高度0.033個工作波長的介質(zhì)基片上實現(xiàn)10%的工作帶寬，但是，該背腔天線結(jié)構(gòu)過于復雜，不利于工程設(shè)計。文獻[5]介紹了一種E形貼片背腔式微帶天線，整個天線由微帶電路板及帶有矩形空氣背腔的接地結(jié)構(gòu)板兩部分組成，可實現(xiàn)44%以上的阻抗帶寬。由于天線采用微帶版與金屬腔結(jié)合的形式，兩種材料熱膨脹系數(shù)不一致容易引入加工偏差，增加了加工難度，并且此種形式的天線環(huán)境適應(yīng)性也不高。針對現(xiàn)有微帶背腔天線存在的這種問題，本文設(shè)計了一種金屬腔體天線，天線結(jié)構(gòu)簡單、材料單一。單一的金屬材料避免了多種材料加工焊接時由于膨脹系數(shù)不一致導致的加工偏差，并且金屬自身強度高、加工難度低，在應(yīng)用時，金屬腔體天線平面化的結(jié)構(gòu)有利于系統(tǒng)集成，表面大面積開槽增強了天線的散熱性能，工作可靠性高。天線還同時兼具帶寬大、剖面低、體積小的優(yōu)點。

1 天線設(shè)計

寬帶金屬腔體天線包括扁盒狀空心的金屬腔體與一層金屬蓋板。金屬蓋板上開工字形縫隙與“[ ]”形縫隙，形成電磁諧振縫，腔體底部開圓孔安裝同軸連接器進行饋電。天線結(jié)構(gòu)如圖1所示。

天線頂部金屬板上所開工字縫隙與“[ ]”形縫隙分別諧振在兩個工作頻段，由同軸線內(nèi)導體在金屬腔體內(nèi)激勵起類似標準波導工作模式，增大了天線阻抗帶寬。進一步地，在金屬蓋板下方增加了金屬匹配塊，改善天線容感性，利于天線阻抗匹配。金屬腔體高度約為低頻波長的1/6，相比其他形式的天線，天線剖面很低。

天線結(jié)構(gòu)簡單，加工難度低，天線僅使用金屬一種材料，強度高、散熱性好，可適用于各種環(huán)境。由于天線單元大面積開槽，且底部是金屬腔體，重量輕。

運用商用高頻電磁仿真軟件Ansoft HFSS對本文中介紹的天線進行建模仿真計算，運用主從邊界的形式確定天線的邊界條件，仿真了天線單元在二維平面陣中的情況。

如圖2所示，天線長L=20.0 mm，寬W=15.1 mm，工字形槽長Ls= 7.8 mm，寬Ws=7 mm。金屬腔體高4.9 mm，金屬壁厚一般可選擇0.8 mm厚的金屬板，即天線剖面高度為6.5 mm。如圖3所示，天線阻抗圓圖呈現(xiàn)寬帶特性，在8～12.5 GHz的工作頻段內(nèi)駐波小于2，相對帶寬約為43%。圖4～圖6分別為天線低頻、中頻、高頻三個頻點處的方向圖，實線為天線在直角坐標系中φ為0°面的主極化與交叉極化方向圖，虛線為天線在φ為90°面的主極化與交叉極化方向圖。圖7為天線增益隨頻率的變化曲線。圖4～圖7反映了天線的方向圖特性，可以看出，天線在工作頻帶內(nèi)方向圖未發(fā)生畸變，方向圖形狀穩(wěn)定。金屬腔體內(nèi)工作模式單一，未激勵起高階模式，交叉極化特性比較好，仿真結(jié)果中交叉極化小于-20 dB，因此天線方向圖帶寬與駐波帶寬相同。

圖1 天線結(jié)構(gòu)

圖2 天線頂部金屬蓋板圖3 天線阻抗圓圖

圖4 低頻方向圖圖5 中頻方向圖

圖6 高頻方向圖圖7 增益隨頻率變化

2 在陣列中的應(yīng)用

新型寬帶金屬腔體天線單元可應(yīng)用于寬帶陣列天線設(shè)計，相比傳統(tǒng)多層微帶天線與背腔式微帶天線，可簡化天線結(jié)構(gòu)，降低天線剖面。純金屬的結(jié)構(gòu)降低了加工難度，提高了天線陣的結(jié)構(gòu)強度，增強了環(huán)境適應(yīng)性，提高了天線的輻射效率。

利用寬帶金屬腔體單元設(shè)計的X波段8×12單元天線陣的實物照片如圖8所示，該天線陣由8×12個金屬腔體組成，采用50 Ω同軸探針對每個金屬腔體饋電。天線俯仰間距dy=0.6λmin，以實現(xiàn)全頻帶俯仰向一維±30°的掃描范圍。在微波暗室內(nèi)對試驗陣的各項技術(shù)指標進行了測試，結(jié)果顯示：天線線陣在43%的頻帶內(nèi)駐波比優(yōu)于2，最大副瓣電平優(yōu)于-12 dB，帶內(nèi)平均天線效率優(yōu)于80%。圖9給出了天線陣中單元端口駐波實測與仿真結(jié)果的對比，圖10給出天線中頻兩主面方向圖的測試結(jié)果。

圖8 X波段8×12實驗小陣實物照片

圖9 天線駐波仿真與測試結(jié)果對比

(a)中頻法向方向圖

(b)中頻掃描30°方向圖圖10 天線中頻兩主面方向圖測試結(jié)果

該天線在頻段內(nèi)有著良好的寬帶特性，天線設(shè)計中采用金屬腔體結(jié)構(gòu)，工作模式類似于標準波導主模，避免激勵起高階模式，使天線在43%的帶寬內(nèi)具有穩(wěn)定的天線方向圖，陣列合成的輻射方向圖與理論綜合方向圖差異性較小，說明了金屬腔體天線可以很好地應(yīng)用在寬帶陣列天線設(shè)計中。

3 結(jié)束語

本文介紹了一種新型低剖面寬帶金屬腔體天線，工作帶寬約為43%，剖面高度約為低頻1/6波長。天線結(jié)構(gòu)簡單、用料單一，具有易加工、強度高、散熱性好、環(huán)境適用性強的特點。天線還同時兼具帶寬大、剖面低、體積小的優(yōu)點。平面化的結(jié)構(gòu)，使天線方便集成，可廣泛運用于不同工作環(huán)境下的通信、軍事雷達系統(tǒng)中。

[1]邱玲,姚振東,劉語嫣. 寬帶微帶天線陣的研究與設(shè)計[J]. 電子測量技術(shù), 2016, 39(9):26-30. QIU Ling, YAO Zhendong, LIU Yuyan. Research and Design of Broadband Micro-Strip Antenna Array[J]. Electronic Measurement Technology, 2016, 39(9):26-30.(in Chinese)

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[4]楊汶汶. 寬帶微帶天線及高性能有源一體化天線技術(shù)的研究[D]. 南京：東南大學, 2015.

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