雙極化開槽天線陣列駐波畸點(diǎn)的研究

1 引言

雷達(dá)、電子戰(zhàn)、通信系統(tǒng)融合在一起，形成一體化的綜合電子信息系統(tǒng)已成為現(xiàn)代電子戰(zhàn)裝備發(fā)展的主流方向，其構(gòu)成的基礎(chǔ)即是超寬頻帶、多功能有源相控陣天線。此相控陣天線的輻射面應(yīng)具有寬頻帶、波束寬角電掃描、多極化功能。

漸張開槽天線良好的寬帶寬角掃描特性使其廣泛用于超寬帶、寬角掃描雙極化相控陣天線。但是開槽天線在大角度掃描時(shí)(±45°，尤其是H面)，諧振造成的駐波畸點(diǎn)限制了帶寬。漸張開槽天線單元和其組成的雙極化陣列如圖1(a)上和圖1(b)所示。漸張開槽天線單元由介質(zhì)和刻蝕在其雙表面的鰭狀開槽金屬組成，在兩層介質(zhì)的中間是饋線，雙極化陣列互相垂直的單元交疊部分為方形金屬柱。如果去掉所有x方向或者y方向的單元，則為單極化天線陣列。

圖1 (a)開槽天線單元及加金屬過孔單元示意圖

(b)雙極化陣列示意圖

在大角度掃描時(shí)，單極化和雙極化陣列單元都會(huì)由于諧振出現(xiàn)駐波畸點(diǎn)。本文研究了單極化和雙極化天線陣中單元駐波畸點(diǎn)形成原因，并提出了抑制諧振、消除駐波畸點(diǎn)的方法。

2 諧振研究

雙極化陣列的諧振由介質(zhì)組成的方形腔體造成。計(jì)算此立方體諧振腔的諧振頻率時(shí)，把立方體前表面(位于天線陣表面)假設(shè)為理想磁導(dǎo)體，其他五個(gè)面為理想電導(dǎo)體，介質(zhì)中微帶線和扇形饋電末端忽略不記。

仿真得到雙極化陣列單元分別在不掃描、E面45°和H面45°掃描時(shí)的駐波曲線(如圖3)。從圖中可得，在H面45°掃描時(shí)會(huì)出現(xiàn)駐波畸點(diǎn)，分別發(fā)生在3.88GHz、4.83GHz、4.92GHz、5.71GHz和6.02GHz。掃描角度改變?yōu)?0°時(shí)，5.71GHz處的駐波消失，但在3.91GHz、4.82GHz、5.02GHz和5.99GHz(分別非常接近于3.88GHz、4.83GHz、4.92GHz和6.02GHz)駐波仍然出現(xiàn)。這表明，這些諧振并不依賴于陣列相位。

因?yàn)榻橘|(zhì)與方形腔體之間有大片金屬的存在，介質(zhì)區(qū)域可以構(gòu)成諧振腔結(jié)構(gòu)，所以以上沒有消失的駐波畸點(diǎn)很可能是由單元內(nèi)介質(zhì)區(qū)域造成的。對于介質(zhì)區(qū)域，因?yàn)槠潴w積比腔體小得多，所以不能簡單的把鰭狀金屬看作理想方形電導(dǎo)體。而且介質(zhì)中存在饋電微帶線和扇形饋電末端，也不能忽略它們的電流。但是，可以把介質(zhì)區(qū)域看作一個(gè)諧振腔，因?yàn)樗饲伴_口端(天線陣表面)外，其他的面大部分是金屬。只是由于其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，很難用數(shù)值方法計(jì)算其諧振頻率。

圖2 雙極化陣列單元三種情況下的駐波。不掃描

(BS)，E面45度E45)和H面度(H45)

圖4 加金屬過孔與未加金屬過孔單極化陣列單元在H面45度

掃描的駐波。L1未加金屬過孔，L2加金屬過孔

圖5 加金屬過孔雙極化陣列單元三種情況下的駐波。

不掃描(BS)，E面45度(E45)和H面45度(H45)

減小諧振腔有效尺寸，可以提高諧振頻率。為了驗(yàn)證上述駐波畸點(diǎn)是否是由介質(zhì)內(nèi)部區(qū)域諧振造成，在單極化單元上，按照其輪廓線加金屬過孔(如圖1(a)下)。

加金屬過孔的單極化陣列單元消除了3.57GHz和4.56GHz處的駐波畸點(diǎn)(如圖4)。因?yàn)榻饘龠^孔只存在于介質(zhì)中，而且金屬過孔與腔體之間存在鰭狀開槽線金屬，所以金屬過孔不會(huì)對方形腔體的諧振造成影響。金屬過孔縮小了介質(zhì)單元內(nèi)部諧振的有效尺寸，消除了原先存在于中頻段的畸點(diǎn)。

3 雙極化陣列駐波畸點(diǎn)的消除

把上述加金屬過孔的天線單元應(yīng)用于雙極化陣列中，計(jì)算仿真得到雙極化陣列單元分別在不掃描、E面45°和H面45°掃描時(shí)的駐波曲線(如圖5)。從圖中可以看出，加金屬過孔的雙極化陣列單元消除了3.88GHz、4.83GHz、4.92GHz和6.02GHz附近的駐波畸點(diǎn)。 E面和H面在5.9GHz附近仍存在駐波，這與未加金屬過孔的45°、30°掃描時(shí)駐波位置很相近。說明金屬過孔不影響方形腔體諧振。上述單元金屬過孔的間距是6GHz時(shí)介質(zhì)中波長的七分之一。當(dāng)繼續(xù)減小金屬過孔間距，增加過孔數(shù)量，駐波明顯變化。當(dāng)增大過孔間距，諧振頻率會(huì)從高于6GHz移到低于6GHz。

4 結(jié)論

開槽天線陣列單元諧振的形成區(qū)域有兩個(gè)，即單元間形成的腔體和單元內(nèi)部介質(zhì)區(qū)域。通過在單元上加入金屬過孔，消除了介質(zhì)區(qū)域造成的諧振。通過大量計(jì)算仿真，發(fā)現(xiàn)在一個(gè)波長(指介質(zhì)中的波長)內(nèi)至少有七個(gè)過孔是必要的。少于此數(shù)目，不能有效的消除諧振;多于此數(shù)目，駐波變化不大。微帶饋電線的電流分布在其邊緣，所以在饋電線邊緣加上金屬過孔有利于消除饋電線電流與介質(zhì)區(qū)域諧振之間的沖突。