一種低剖面寬帶縫隙耦合天線

王元源 鄭慕昭 丁若梁

(西安電子工程研究所 西安 710100)

天饋線伺服系統(tǒng)

一種低剖面寬帶縫隙耦合天線

王元源 鄭慕昭 丁若梁

(西安電子工程研究所 西安 710100)

基于層壓PCB技術(shù)設(shè)計了低剖面的寬帶縫隙耦合天線，通過在多層結(jié)構(gòu)中引入特殊的“啞鈴”形耦合縫隙結(jié)構(gòu)有效拓展了天線的工作帶寬，提升了輻射效率。饋線與輻射貼片間用內(nèi)層地板分隔，有效地抑制了背向輻射與干擾。研究結(jié)果表明，該天線在12-18GHz的頻帶內(nèi)回波損耗低于-10dB,相對帶寬可達40%，能夠滿足寬角掃描相控陣的使用要求，具有良好的應(yīng)用前景。

寬帶天線;縫隙耦合;低剖面;層壓PCB

0 引言

隨著射頻/數(shù)字集成電路及高頻封裝技術(shù)的不斷進步，以一體化收發(fā)子陣為基本功能模塊的寬帶/超寬帶有源/數(shù)字相控陣將成為傳感器及通訊系統(tǒng)的主流硬件方案。有源相控陣具備的多項優(yōu)勢，如：天線波束的快速掃描與賦形、空間定向及空域濾波、掃描和跟蹤去耦合、空間功率合成、天線與載體平臺共形及自適應(yīng)多波束形成等，將有效推動軍用/民用雷達、電子對抗、導(dǎo)航及通訊系統(tǒng)的快速發(fā)展。

寬帶天線單元作為有源相控陣的重要組成部分，其特性對陣列性能起到了至關(guān)重要的影響：首先，單元的橫向尺寸決定了陣列在工作頻帶內(nèi)的掃描覆蓋范圍；其次，單元的效率直接影響系統(tǒng)的探測距離與威力；而單元的匹配及耦合特性則決定了陣列的寬角度空域掃描能力；此外，其剖面高度將限制陣列的具體安裝及應(yīng)用環(huán)境；另外，民用領(lǐng)域的應(yīng)用則對天線單元的成本控制提出了額外的要求。因此，具備寬頻帶、小型化、低剖面、易集成、低成本特性的天線單元將成為構(gòu)建通用化寬帶相控陣天線的理想選擇。

本文對傳統(tǒng)的縫隙耦合式饋電的多層微帶天線進行了改進，通過引入新型的“啞鈴”形耦合縫隙替代常見的一字形或H形縫隙，達到拓展天線單元帶寬的目的。采用金屬化過孔陣列優(yōu)化提升陣中單元的隔離度特性，并在充分考慮PCB層壓工藝特性的基礎(chǔ)上，獲得了覆蓋整個Ku頻段(12GHz～18GHz)范圍的天線單元，相對帶寬達40%。

1 天線單元設(shè)計

天線單元為縫隙耦合饋電的多層微帶結(jié)構(gòu)形式，基板材料選擇Taconic TSM-DS3,其相對介電常數(shù)為3.0，損耗角正切約為0.0012。如圖1所示，整個單元共由四層介質(zhì)板層壓構(gòu)成，由上至下分別是一層厚度為hs1的輻射貼片基板和三層厚度為hs2的饋電層基板。四層板材間通過三層厚度為hp的半固化片連接為整體；金屬圖形則分別位于L1～L5層。

帶狀線形式的饋線位于L3層，通過位于L2層的地板上的縫隙將能量耦合至頂層L1的微帶貼片輻射器，帶狀線饋線末端則采用金屬化過孔形成后向的垂直互聯(lián)結(jié)構(gòu)，并最終轉(zhuǎn)為底部L5層的微帶線輸出。

縫隙的設(shè)計是決定天線性能的關(guān)鍵因素，改變縫隙的尺寸或形狀將起到調(diào)節(jié)饋電層與輻射層耦合度的作用。本文采用了特殊的多諧振“啞鈴”形縫隙結(jié)構(gòu)完成能量耦合傳輸。與傳統(tǒng)的一字形或H形縫隙相比，其增加了多處漸變的傾斜縫隙結(jié)構(gòu)，引入了額外的設(shè)計參數(shù)與諧振點，可通過改變寬窄縫隙間的漸變過渡段尺寸，更為精細的調(diào)節(jié)能量耦合強度與阻抗變化范圍，使天線單元在輻射效率與帶寬之間取得更好的平衡。

通過以中心頻率(15GHz)為中心，優(yōu)化仿真耦合縫隙的結(jié)構(gòu)與尺寸，逐漸拓展并最終獲得了在全頻段最優(yōu)的耦合縫隙尺寸，如下表所示：

表1 “啞鈴”形耦合縫隙尺寸

WsLsws1ws2ls1ls2ls32.815.40.680.510.560.5

此外，考慮到寬帶天線作為相控陣單元的應(yīng)用需求，并盡可能保證陣中單元性能及參數(shù)的獨立性，在貼片輻射層及饋電網(wǎng)絡(luò)層周圍設(shè)置金屬化隔離通孔陣列，在介質(zhì)板內(nèi)部形成封閉腔體結(jié)構(gòu)，抑制表面波能量，降低單元互耦對天線性能的擾動。天線單元的仿真模型如圖3所示：

此外，當多層層壓PCB技術(shù)應(yīng)用于Ku頻段或更高頻率時，為保證設(shè)計結(jié)果的準確可靠，還需要準確考慮多層基板結(jié)構(gòu)及板間半固化片參數(shù)誤差對天線性能的影響。通過反復(fù)權(quán)衡與迭代設(shè)計，最終獲得了天線貼片及饋線的精確尺寸。

表2 天線貼片及饋線尺寸(mm)

WLwfdpd1d27.33.680.220.920.841.26

2 仿真結(jié)果與分析

根據(jù)以上設(shè)計原則, 本文采用“啞鈴”形狀的縫隙結(jié)構(gòu)和陶瓷玻璃布介質(zhì)(介電常數(shù)為3), 設(shè)計了覆蓋Ku 波段的寬帶微帶天線。并利用Ansoft HFSS軟件進行優(yōu)化設(shè)計, 獲得天線的基本參數(shù)。

天線的回波損耗仿真結(jié)果如圖4所示，可以看出，該天線在12-18GHz范圍內(nèi)擁有多個諧振點，整體回波損耗基本控制在-10dB以下，相對工作帶寬達到40%。

圖5給出了天線單元的遠場輻射方向圖仿真結(jié)果。由圖可知，整個頻率范圍內(nèi), E面的交叉極化電平均小于-40 dB；而H面的交叉極化電平則伴隨頻率的升高, 從小于-30dB(12GHz)一路升高到-10dB左右(18GHz)，造成這一現(xiàn)象的原因是由于調(diào)節(jié)貼片的阻抗使其沿H面的尺寸過大，從而引入了新的諧振。后續(xù)可采用差分饋電或寄生輻射貼片的方式進一步降低交叉極化電平，優(yōu)化天線的輻射性能。

3 結(jié)論

本文通過理論仿真設(shè)計了基于層壓PCB技術(shù)的低剖面寬帶天線，提出了新穎的多諧振“啞鈴”形縫隙耦合饋電結(jié)構(gòu)，有效拓展了多層天線的帶寬。仿真結(jié)果表明，天線能夠覆蓋12GHz-18GHz的Ku全頻段，相對帶寬達40%，且其橫向尺寸僅為高頻端(18GHz)波長的0.57倍，能夠滿足大角度掃描相控陣的應(yīng)用需求。

多層壓接的陶瓷玻璃布介質(zhì)結(jié)構(gòu), 增加了機械強度, 降低了外界環(huán)境對天線的影響, 并且其制造成本僅為共燒陶瓷等三維封裝工藝的1/10。這種天線可應(yīng)用于機載、星載、彈載等多種平臺，其低剖面、易集成、低成本的特點將能夠支撐未來大批量的應(yīng)用需求。

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AWidebandLow-ProfileSlot-CoupledAntenna

Wang Yuanyuan, Zheng Muzhao, Ding Ruoliang

(Xi’an Electronic Engineering Research Institute, Xi’an 710100)

A low-profile wideband slot-coupled antenna is designed based on laminated PCB technology. By introducing a novel "dumbbell" shape coupled structure in the laminated PCB, wide operating band is obtained and radiation efficiency is improved effectively. Feed-line network and radiation patches are separated by inner ground plane for controlling back radiation and interference effectively. Study results indicate that return loss of the array is better than -10dB within frequency of 12 to 18 GHz and relative bandwidth exceeds 40%; performance of the antenna meets requirements of wide-angle scanning phased array and has great potential in application.

wideband antenna; slot coupled; low profile; laminated PCB

2017-06-21

王元源(1983-),男，博士研究生。研究方向為天線技術(shù)。

TN957.2 TN821

A

1008-8652(2017)03-069-03