一種高增益寬頻帶圓極化微帶陣列天線的研制

引言

相控陣?yán)走_(dá)具有可多發(fā)多收、快速響應(yīng)及定位波束指向，可用多部發(fā)射機(jī)同時(shí)工作以整合功率，結(jié)構(gòu)上易于使天線與雷達(dá)集成共形等特點(diǎn)，在實(shí)現(xiàn)高速探測(cè)、高效和并行跟蹤、拓展雷達(dá)三維作用范圍等方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)，因此，相控陣?yán)走_(dá)成為當(dāng)今雷達(dá)發(fā)展的主流。相控陣?yán)走_(dá)與外界信號(hào)的交流與傳遞離不開雷達(dá)的天線系統(tǒng)，天線系統(tǒng)性能的優(yōu)劣很大程度上決定了雷達(dá)系統(tǒng)的優(yōu)良。而就相控陣天線的發(fā)展方向而言,小型化、集成化、高增益是一重要方面。

20世紀(jì)60年代中期，天線陣技術(shù)的主要形式是開口波導(dǎo)和振子類型的天線單元組成的陣；到70年代之后，隨著微帶天線的問世和發(fā)展，人們對(duì)以微帶線饋電的微帶天線陣產(chǎn)生了濃厚的興趣。這是由于微帶陣列天線具有眾多先天優(yōu)勢(shì)，如外形簡(jiǎn)單，易于分析研究和加工制作，成本低廉且體積小適合大眾研發(fā)能力，容易同應(yīng)用后端集成共形，易于實(shí)現(xiàn)多極化、變極化或多頻點(diǎn)工作等優(yōu)點(diǎn)，而其饋電網(wǎng)絡(luò)可以與陣列天線共面集成于同一塊介質(zhì)基板上更是其他類型的陣列天線望塵莫及的特性?？墒?，微帶陣列天線也存在一些固有缺陷，如增益較小，帶寬窄，在高頻段容易出現(xiàn)表面波，單個(gè)陣元承受功率受到一定的限制等。為了解決這些問題，經(jīng)過研究人員近幾十年的努力，它的一些缺陷正逐步得到改善，包括采用新的介質(zhì)材料、新的制作工藝等，已使它的頻帶寬度、輻射增益和應(yīng)用范圍等都得到了很大的改善，從而使微帶陣列天線在相控陣天線高增益、集成化的發(fā)展方向上得到越來越多的應(yīng)用。由于其特征所趨，國內(nèi)外對(duì)于相控陣天線的研究重心都放在了軍事領(lǐng)域，尤其是各種雷達(dá)、通信、遙感和衛(wèi)星等設(shè)備中，目的是能夠在復(fù)雜的電磁環(huán)境中正常有效地完成工作目標(biāo)，近些年來也廣泛地應(yīng)用于各種空間飛行器之上。目前，為了滿足新時(shí)期國民經(jīng)濟(jì)社會(huì)建設(shè)發(fā)展的需要，有源、無源相控陣天線在衛(wèi)星廣播電視、無線互聯(lián)通信、國土氣象預(yù)測(cè)等民用商業(yè)領(lǐng)域也都得到了相對(duì)廣泛的應(yīng)用。

本文就是基于X波段相控陣?yán)走_(dá)天線的背景而開展研究工作的，其實(shí)際內(nèi)容主要是完成微帶天線陣列的設(shè)計(jì)與制作。首先設(shè)計(jì)了雙層微帶陣列天線的單元結(jié)構(gòu)并使其達(dá)到綜合最佳性能，然后完成了雙層2×2微帶陣列天線的設(shè)計(jì)與制作，并測(cè)試了天線性能。

1微帶天線的輻射原理

根據(jù)不同的微帶天線分析方法，其輻射原理由相應(yīng)不同的理論來解釋。這里以最簡(jiǎn)單的矩形微帶單元天線為例對(duì)微帶天線的輻射原理進(jìn)行簡(jiǎn)單的說明。典型的微帶矩形貼片天線結(jié)構(gòu)如圖1所示，矩形微帶貼片天線由三層構(gòu)成：最上層的是矩形金屬貼片，金屬貼片下面是由絕緣介質(zhì)材料構(gòu)成的基板，最下層的是導(dǎo)體接地板。

由于矩形貼片可以看作一段微帶傳輸線，因此設(shè)電場(chǎng)沿矩形輻射貼片的寬度方向與基板厚度方向沒有變化，那么此天線的電場(chǎng)結(jié)構(gòu)可表示為電場(chǎng)E僅沿矩形輻射貼片的長(zhǎng)度方向的變化。在矩形貼片的兩端（輻射邊）呈現(xiàn)開路，形成電壓波腹。因?yàn)榫匦钨N片長(zhǎng)約為半波長(zhǎng)，所以矩形貼片兩端電場(chǎng)E的垂直于導(dǎo)體層方向的分量相位相反，而與其平行的方向上分量相位相同。于是在遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)，兩個(gè)相位相反的法向分量在接地板上半空間的輻射互相抵消，而兩個(gè)相位相同的切向分量在接地板上半空間得以疊加。矩形輻射貼片切向方向電場(chǎng)最強(qiáng)，偏離此方向的強(qiáng)度會(huì)隨角度的增大而減小，形成輻射方向圖。因此，天線向外部空間的輻射主要由垂直于傳輸線的兩條上下導(dǎo)體間的縫隙而產(chǎn)生。

下文中的討論就是基于以上的天線輻射原理，構(gòu)造空間疊層的雙層結(jié)構(gòu)，試圖以貼片間輻射縫隙的互耦作用來提高天線的整體工作帶寬等電磁參量。

2雙層寄生微帶陣列天線單元的設(shè)計(jì)

為了方便天線設(shè)計(jì)及真實(shí)反映天線的電磁性能，我們采用了HFSS電磁仿真軟件，該仿真軟件是Ansoft公司開發(fā)的應(yīng)用有限元法的大型三維電磁場(chǎng)仿真軟件。它能夠計(jì)算任意形狀無源結(jié)構(gòu)的電磁場(chǎng)問題，并以其無可媲美的仿真精準(zhǔn)度和可靠性、迅捷的仿真速度、易于上手的操作界面、成熟可靠的自適應(yīng)網(wǎng)格剖分技術(shù)，成為了業(yè)內(nèi)三維電磁仿真的首選軟件和業(yè)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)。它不僅可以求解內(nèi)部場(chǎng)問題，還可以求解外部遠(yuǎn)場(chǎng)的散射問題，具有寬頻快速掃描能力，可以直接得到端口的輸入阻抗及S參數(shù)，遠(yuǎn)場(chǎng)輻射方向圖等參數(shù)。

在HFSS中建立雙層微帶陣列天線單元的仿真模型的結(jié)構(gòu)如圖2所示。天線單元由兩層介質(zhì)板組成，由下到上分別為接地板、介質(zhì)基板、下層饋電貼片、介質(zhì)基板、上層耦合貼片。貼片均采用方形貼片，通過增加切角來實(shí)現(xiàn)圓極化波。下層饋電貼片采用帶狀線側(cè)饋的饋電方式，上層采用電磁耦合饋電的饋電方式。通過調(diào)節(jié)耦合貼片與饋電貼片的各尺寸和之間的耦合間距，可以達(dá)到擴(kuò)寬帶寬的效果。

對(duì)于仿真優(yōu)化模型中各貼片尺寸及耦合間距，當(dāng)下層尺寸w為5.2mm時(shí)，上層尺寸s為5mm，耦合間距t為3mm時(shí),遠(yuǎn)場(chǎng)增益為6.8dB，帶寬為500MHz。

3雙層微帶2X2陣列天線的設(shè)計(jì)

由以上的雙層微帶陣列天線單元的各尺寸為基礎(chǔ)，建立雙層2X2陣列天線的模型并仿真優(yōu)化，相應(yīng)各饋線阻抗的計(jì)算方式采用帶狀線阻抗計(jì)算方式，以利于陣列天線的阻抗匹配設(shè)計(jì)。雙層2X2陣列天線的模型仿真圖如圖3所示。

圖3 雙層微帶22陣列天線的仿真模型圖

優(yōu)化2X2陣列天線的陣元間距及各饋線尺寸，可以得到最佳的天線各參數(shù)性能。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)陣元y方向間距為22mm，x方向間距為20mm時(shí)，遠(yuǎn)場(chǎng)增益和阻抗匹配設(shè)計(jì)得到最佳。遠(yuǎn)場(chǎng)增益仿真圖如圖4所示，其增益最大值約為12dB。

4雙層微帶2X2陣列天線的制作與測(cè)試

由雙層微帶2X2陣列天線的模型圖畫出AutoCAD版圖并加工制作，版圖中的通孔是為了疊層時(shí)用螺絲固定而設(shè)置的,上層介質(zhì)的開槽是為了方便同軸接頭的焊接。加工版圖如圖5所示，天線實(shí)物樣機(jī)如圖6所示。

在矢網(wǎng)分析儀與微波暗室中測(cè)試天線參數(shù)性能，得出的S11曲線如圖7所示，天線效率與遠(yuǎn)場(chǎng)增益如圖8所示。

由以上雙層2X2陣列的測(cè)試圖可以看出，該天線的匹配良好，帶寬1.2GHz,加上微波暗室測(cè)試時(shí)自帶電纜的1dB插損，10GHz處的增益為10.7dB。

取測(cè)試增益較好的頻率點(diǎn)10.0GHz觀測(cè)其軸比，其結(jié)果如表1所列。

圖8  雙層微帶22陣列天線的遠(yuǎn)場(chǎng)增益仿真圖

此次測(cè)試中的天線垂直擺放，故Theta=90。、Phi=90°是天線最大輻射方向，即Phi=n/4=0.785398。由表1可以看出,最大增益方向上軸比約為4dB。

通過雙層微帶2X2陣列天線的測(cè)試結(jié)果可以看出，天線的阻抗匹配帶寬已有了明顯的擴(kuò)展，且組陣增益達(dá)到了10.7dB，與仿真值接近，軸比為4dB，符合圓極化要求。

5結(jié)語

本文設(shè)計(jì)方案的提出是為了實(shí)現(xiàn)微帶天線高增益、寬頻帶、圓極化的整體要求，通過此新型的雙層結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與模型優(yōu)化，得到了一組較理想的天線電磁性能參數(shù)值，為組成更大陣列的天線以及構(gòu)建相控陣天線提供了單元基礎(chǔ)。

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