由正六邊形復合空饋子陣組成的高增益寬頻帶印刷天線陣

 引言

作為印刷天線家族新成員的復合空饋陣(CAFA) 天線，將設計反射陣和傳輸陣時的相位補償概念注入Fabry-Perot天線的設計中：通過在蓋板和基板處各自獨立地補償反射相位，改建了口徑場相位分布的均勻性。其最大優(yōu)點在于避免了傳統(tǒng)空饋反射陣或傳輸陣中饋源高聳的結構缺點，具有波長量級的低輪廓。然而，這也限制了CAFA的增益從而限制了其應用。作者曾嘗試增加基板-蓋板之間距以提高最高增益的方法，但由于增益和帶寬之間固有的矛盾，當峰值增益提高約5 dB時，其公共頻帶變窄到不足2%. 本文采用先設計CAFA作為子陣單元，再由若干子陣組合成大型陣列天線的方案，在保有較寬頻帶的同時提高了增益。結構上采用正六邊形輪廓的子陣設計，在其FSS蓋板和AMC基板上也采用正六邊形的網(wǎng)格布局;用七個正六邊形的子陣組成蜂窩形的大陣;并且選用層疊式貼片輻射器作為饋源，借以改善波瓣圖的對稱性。經仿真分析和優(yōu)選，設計出包含了子陣間饋電網(wǎng)絡的大型CAFA天線，同時滿足了高增益和寬頻帶的要求。其整體仿真/樣品測試的性能達到：峰值增益22.87/22.51 dBi;電壓駐波比≤2.0:1、增益跌落≤-3dB以及副瓣電平≤-15dB的公共頻帶達8.28/9.63%。其中副瓣電平是全方位、而不限于主平面的。

2 CAFA子陣單元的設計

CAFA子陣單元被設計成正六邊形以便于按蜂窩狀拼接成大陣。為了同時獲得寬的阻抗頻帶與旋轉對稱的輻射波瓣圖，CAFA子陣的饋源采用了層疊式貼片輻射器(圖1)。為了將阻抗頻帶向低頻端擴展以適應與增益頻帶的疊合，在位于基板中央、尺寸為(l f ´ w f)的下層矩形貼片上開了一條垂直于極化方向的窄縫，尺寸為(lS ´ wS)。為了增強波瓣圖的旋轉對稱性，添加了一片尺寸為(lp ´ wp)的上層寄生貼片，其中心相對于下層貼片中心沿極化方向有doffset的偏移量。上層貼片的基板尺寸為(l up ´ w up)，與下層貼片間距hp，通過位于其兩窄邊下方的矩形塑料墊片支撐。饋點與下貼片邊緣的距離為fy。

圖1 CAFA子陣單元饋源的結構圖

組裝好的CAFA子陣單元(圖2)包含饋源、基板和蓋板?；逯醒氲酿侂娰N片周圍圍有AMC單元，它們是5圈周期皆為PAMC的、按正六邊形輪廓排列的正方形貼片，每一圈的貼片邊長相等但從內圈到外圈按{d j}遞增。在FSS蓋板的下表面，8圈周期皆為PFSS的正方形貼片單元、也按正六邊形輪廓排列，每一圈的貼片邊長相等但從內圈到外圈按{e i}遞減。蓋板和含接地板之基板都有邊長為R的正六邊形輪廓、厚度為h，基板-蓋板相距hc，所有介質板材的相對介電常數(shù)皆為2.2。CAFA子陣單元的結構參數(shù)值歸納于表1。

(a)基板上表面的AMC與饋源

(b)蓋板下表面的FSS

(c) 組裝好的CAFA子陣單元前視圖

圖2 CAFA子陣單元的結構圖 表1 CAFA子陣單元的結構尺寸(mm)

3 陣列天線的組裝

此陣列天線(圖3)包含按蜂窩型排列的7個相同的CAFA子陣單元(中間一個，周圍六個)，其基板/蓋板/寄生貼片都是分別加工后組裝的。

(a) 陣列天線基板上的AMC和饋源

(b) 陣列天線蓋板下表面的FSS

(c) 組裝好的陣列天線

圖3 不包含饋電網(wǎng)絡的陣列天線原型

由于該陣列天線在CST2006B中過于龐大，直接通過掃描參數(shù)來尋找實現(xiàn)最寬公共頻帶的中間單元/周邊單元饋電幅度比顯然不切實際。改用波瓣圖乘法定理作簡化處理。由此得出的最佳饋電幅度比為0.42，該值成為饋電網(wǎng)絡的設計目標。 饋電網(wǎng)絡的設計

饋電網(wǎng)絡含有6個Wilkinson功分器[(一個2:1功率分配，五個1:1等功率分配)。輸入功率首先經過第一級功分器被等功率分配成兩路相等的輸出功率，其中一路直接饋給中間的子陣，而另一路在經過第二至第四級功分器后被均分成六份，分別饋給周邊六個子陣。

通過在所需頻帶內的整體仿真的檢驗，各子陣輸入端的電壓比在0.488:1到0.357:1之間不等，與所要求比值的0.42:1存在為16.2%的幅度誤差;并且各輸入端的最大相位偏差為40.4o，基本實現(xiàn)了設計目標。

圖4 饋電網(wǎng)絡的仿真模型

5 仿真及測試結果

該天線的整體仿真/樣品測試結果繪于圖5和圖6。圖5中的公共頻帶BWcomm= 9.63/8.28 %內,電壓駐波比≤2.0:1、增益跌落≤-3 dB、副瓣電平≤-15 dB;最高增益為Gpeak=22.87/22.51 dBi，對應了口徑效率hpeak=37.7/34.7 %(詳見表2)。圖6示例10 GHz時一組典型的E面與H面波瓣圖。以上結果證實了設計思路的合理性。

6 結論

本文設計的陣列天線可以同時獲得高增益和寬頻帶，它包含7個按蜂窩形排列的正六邊形CAFA子陣單元。從中間單元向周邊單元的錐銷幅度饋電減小了輻射波瓣圖的副瓣電平，但付出了口徑效率下降的代價。

圖5 回波損失、增益及副瓣電平的頻響曲線

表2 陣列天線原型的性能

圖6 10 GHz時典型平面的輻射波瓣圖