一种新型低剖面宽带相控阵单元研究

王敏男 郝书吉 朱允锋 朱金鹏

(中国电波传播研究所,山东 青岛 266107)

1.引 言

目前,随着雷达系统、通信对抗系统等的不断发展,对有源相控阵天线单元提出了较高的要求,如增益、带宽、宽角扫描等等。很多文献对宽带天线单元及阵列进行了技术探讨,文献[1]介绍了宽带阻抗匹配的方法,但实现起来很困难,文献[2]介绍了改善相控阵天线带宽的技术途径,分别从宽带阵元和宽带阵列技术两方面进行论述,文献[3]采用宽带天线单元施加匹配网络的方法对一种短波宽带天线系统进行了研究。总体来看,这些方法和技术值得借鉴,但常规的相控阵天线单元在应用方面仍存在诸多缺点,如水平极化振子天线,其天线结构简单,但其尺寸、阻抗和增益带宽受限制,即使对其施加宽带匹配网络也很难满足阵列宽带和宽角扫描要求;工程上常使用的对数周期天线,虽然频带较宽、增益稳定,但其横向和纵向尺寸大,不利于宽带平面阵的组阵。为解决常规宽带天线单元存在的这些缺点,提出一种新型低剖面宽带相控阵单元,并对该相控阵天线单元电特性及组阵后特性进行研究,结果表明该相控阵单元具备很多优点,满足宽带平面相控阵的组阵要求,且该相控阵单元的设计方法可以为其他宽带天线系统的设计提供参考。

2. 单元天线设计

2.1 设计思路

选择合适的相控阵天线单元主要从电气和结构上考虑。电气方面:首先天线单元应有好的阻抗特性,作为发射天线单元,其阻抗具有宽带特性是天线设计的要求之一;其次是天线具有合适的方向图和增益,如天线扫描过程中天线单元具有较宽的主瓣宽度,在频带范围内具有稳定的增益等等。结构方面,由于天线单元水平放置,天线单元的长度不能大于两相邻单元的间距,而天线间距的选择主要考虑避免栅瓣出现,对矩形相控阵来说,最大理论间距[4]为,≤λ/(1+|sin|),其中为最大扫描角。综上可知:天线阵列设计中单元长度、间距以及频带宽度相互矛盾,如天线工作频率带宽为3个倍频程、=30°时,计算得到单元天线臂长为0.22λmax,远小于半波对称振子谐振长度,此时天线Q值较高,天线很难全频带阻抗匹配。因此,在满足天线单元长度尺寸要求后,还需要对天线单元进行频带展宽设计,常见展宽电小天线单元带宽[5]主要有两种方法,第一种方法是牺牲效率换取一定宽度的工作频带,该方法缺点是增益降低,对于大功率发射天线单元而言工程实现较困难;第二种方法是采用调谐的概念来展宽带宽,如对数周期天线,其天线振子处于不同的谐振状态,但横向和纵向尺寸较大,不利于水平定向组阵。根据以上分析过程,综合已有宽带天线设计方法,提出一种新型的低剖面宽带相控阵单元,其示意图如图1所示。

图1 天线单元示意图

该相控阵单元设计思路的依据有三个方面,第一,天线单元结构上将上、下两层振子揉合在一起分频段工作,从而有效地减小了天线的占地面积,并增加了天线的带宽;第二,对每层振子进行“增肥”设计,即选择一些电特性好的宽频带振子,既满足方向性要求又展宽频带;第三,在振子根部施加宽带匹配网络,进一步展宽天线单元的频带宽度。

加载匹配网络展宽天线带宽、降低天线端口驻波比的设计方法,需要充分考虑阵元之间的互耦影响。从阵列角度出发,根据网络理论,各阵元的电压、电流满足方程

当各天线单元与相应馈线间连接匹配网络时,则可将匹配网络看成一个二端口网络,通过推导得到公式

1)新的阻抗矩阵元素与网络Z参数有关,选择合适的网络Z参数,可以展宽天线单元的带宽;

2)当阵元特性不一样时(由于在阵中的位置不同),调节网络参数可以局部改善天线单元特性;

经过对结构和网络进行优化设计,天线结构主要参数为:低频振子长度 L约为0.22λmax,低频振子距离反射面高度 H约为0.12λmax.

2.2 与常规天线比较

采用矩量法[6-7]求解天线单元的电流分布,首先根据细线天线电流的积分方程

将上式中微分用有限差分代替,把整个天线单元分为N+1段,则可得电流分布的近似算子方程。将基函数带入近似算子方程,以δ函数为权函数进行点选配,可得到矩阵方程

利用计算机进行数值计算,便得到天线上的电流分布,进而可求得其他电参数。

图2是通过数值计算得到的单元天线方向系数随频率的变化曲线,为与常规天线单元进行比较,图中给出距离反射面高度为0.25λmax的半波对称V型振子方向系数随频率的变化曲线。图3为通过数值计算得到的单元天线方向图和半波V型振子方向图(在反射网的法线方向上)。

图2表明天线单元方向系数随频率变化较小,而普通对称振子随频率增加其方向系数变化较大。图3表明,随着频率的增加,普通对称振子方向图发生分裂,不再满足相控阵扫描要求,而新型天线单元方向图变化较小。从方向系数随频率变化曲线以及不同频点方向图特性,可以看出提出的新型相控阵天线单元有很好的电气特性,且具有频带宽、电尺寸较小、剖面较低等优点。

3.5×5平面阵计算

为更好地验证天线单元可用于平面阵的组阵单元,计算此天线单元在5×5矩形平面阵中的电特性及阵列特性,5×5矩形平面阵示意图如图4。

图4 5×5矩形平面阵示意图

如果天线单元是作为发射天线单元,一般要求其输入端口驻波比小于2.5,这样可以保证振子和馈线之间实现有效的功率传输。在阵列中单元输入端口驻波主要通过振子根部匹配网络的调节而确定,限于篇幅这里不再赘述,详见文献[8-11]。这里主要给出天线单元在阵中特性,图5为平面阵中心单元的驻波比随频率变化曲线,图6为阵列中心单元在阵中的方向图,图7为天线阵在等幅等相激励条件下频率为3f min的方向图。

图5和图6表明:在3倍频程范围内,单元天线的驻波比满足要求,阵中单元方向图满足组阵后宽角波束扫描要求。根据Knittel[12]提出的匹配技术,减小单元间距可使阻抗随扫描角的变化显著减小,本文在5×5矩形平面阵的计算中,两个方向上单元间距均为0.25,远小于一般情况下的0.5,且在扫描情况下其阻抗相对变化较小,有效地改善了相控阵天线设计中宽带宽角扫描问题。下一步将对开展天线缩比模型实验进行深入研究。

4.结 论

基于目前一些应用系统对水平极化相控阵天线单元提出的高要求,在对传统宽带天线单元优缺点分析的基础上,综合已有宽带天线单元设计方法,提出一种新型低剖面宽带相控阵天线单元。通过采用矩量法对天线单元电特性的分析和计算,并对结构进行优化设计,获得了优良的天线性能和较好的结构尺寸。最后,对由此天线单元组成的5×5矩形平面阵进行分析和计算,结果表明:此天线单元满足平面阵列的组阵要求,从而为宽带宽角扫描的有源相控阵天线系统提供了一种新型的天线单元形式,且可为其他宽带天线系统的设计提供技术参考。与常规的宽带相控阵天线单元相比,该相控阵单元有如下突出特点:

1)天线单元剖面低,电尺寸小,低频振子距离反射面高度约0.12λmax,长度仅约0.22λmax。

2)天线单元频带宽,可达3倍频程。

3)宽频带内驻波比满足小于2.5的要求,从而可实现功率的高效辐射。

4)该天线单元满足平面阵列的组阵要求,且满足宽角波束扫描要求。

[1] 吴世龙,伊成友.实现短波天线阵列亟需解决的问题[J].舰船电子工程,2003,23(3):53-56.

[2] 聂在平,韩一平.改善相控阵天线带宽的技术途径[J].电子科技大学学报,1995,24(7):42-45.

NIEZaiping,HAN Yiping.Research on the technical approach to improve thebandwidth of the phased array antennas[J].Journal of UEST of China,1995,24(7):42-45.(in Chinese)

[3] 刘江宏,戴兆之.短波宽带平面阵列天线系统的研究[J].电波科学学报,2000,15(1):114-117.

LIU Jianghong,DAIZhaozhi.Study of HF broadband plan array system[J].Chinese Journal of Radio Science,2000,15(1):114-117.(in Chinese)

[4] 魏文元,等.天线原理[M].北京:国防工业出版社,1985.

[5] 王元坤.线天线的宽频带技术[M].西安:西安电子科技大学出版社,1995.

[6] LUZWICK J L,NGAI E C,ADAMSA T.Analysis of a large linear antenna array uniformly spaced thinwiredipoles parallel to perfectly conducting plane[J].IEEE Trans.on Antennas and Propagat,1982,30(2):230-234.

[7] SARKAR T K,DJORDJEVIC A R and ARVAS E.On the choice of expansion and weighting functions in the numerical solution of operator equations[J].IEEE Trans.on Antennas and Propagat,1987,33(9):988-996.

[8] 孙保华,周良明,肖 辉.天线宽带匹配网络的设计与计算方法[J].西安电子科技大学学报,1999,26(6):793-797.

SUN Baohua,ZHOU Liangming,XIAO Hui.On the design of broadband matching networks for antennas[J].Journal of UEST of China,1999,26(6):793-797.(in Chinese)

[9] 陈轶鸿,孙琰,郭畏盛,等.宽带匹配网络的现代设计方法[J].电波科学学报,1996,11(2):102-109.

CHEN Yihong,SUN Yan,GUO Weisheng,et al.Modern methods for the design broadband matching networks[J].Chinese Journal of Radio Science,1996,11(2):102-109.(in Chinese)

[10] 黄香馥,宽带匹配网络[M].西安:西北电讯工程学院出版社,1987.

[11] 刘学观,魏文元,黄立伟,等.相控阵偶极子天线单元互耦的矩量法研究[J].西安电子科技大学学报,1991,18(3):87-93.

[12] OLINAR A,KNITTEL G H.Phased Array Antennas[M].Dedham:Artech.