适于相控阵应用的宽带微带天线

马春娥,陈智慧,田 垒

(中国空空导弹研究院,河南洛阳 471009)



适于相控阵应用的宽带微带天线

马春娥,陈智慧,田 垒

(中国空空导弹研究院,河南洛阳 471009)

为实现微带天线在相控阵天线的工程应用,文中提及一种具备相控阵天线特性的微带天线。该微带天线采用双层微带贴片结构,同时以同轴探针背馈于微带贴片的特殊方式,此微带天线具备宽频带、宽波束、宽扫描角等特性且易加工制造,适合应用于相控阵天线。同时,以此微带天线为天线单元仿真设计了11×11微带阵列天线,经加工装配,最后对此实物进行测试。测试结果表明此天线具备如下性能:在±50°扫描范围内,阵中单元有源驻波小于2.5的带宽超过26%;单元方向图半功率波束宽度约为100°。

微带天线;宽频带;宽波束;相控阵

0 引言

微带贴片天线因其具有低剖面、易加工等优点而广泛应用于阵列天线,国内外的科技工作者对各类微带天线做了大量的研究。文献[1]介绍了一种边馈双层微带贴片天线,该结构利用双谐振来展宽天线工作频带,此天线的相对工作带宽可达10%左右,但此馈电方式贴片天线不具备宽角扫描特性;文献[2]介绍了一种非辐射边共面馈电的单层矩形贴片天线,此种天线馈电方式简单,但带宽较窄。相控阵天线单元一般要求天线具有结构简单、宽频带、大扫描角、高效率等特性。针对相控阵天线的工程应用,文中介绍了一种适于相控阵应用的双层微带贴片天线,此天线采用双层贴片结构形式以拓宽天线带宽,采用同轴探针从天线背部给下层贴片馈电,上层贴片通过耦合方式从下层贴片给予馈电,上下两层贴片在馈电点处均开适于点焊的圆孔,有利于与后端T/R模块互连。仿真及实验结果表明,由于该单元天线具有宽波束、宽频带、宽角扫描低有源驻波等性能,同时其馈电方式简单,节约阵面空间,适用于相控阵天线的单元应用。

1 天线单元的设计

1.1 理论设计

天线结构为双层贴片结构,其中下层贴片为馈电贴片,上层贴片为耦合贴片。天线结构见图1。通过同轴探针给馈电贴片馈电,馈电贴片通过空间电磁耦合给耦合贴片馈电。

图1 双层微带天线结构示意图

双层微带天线的输入阻抗可以等效为含有初级和次级的耦合谐振电路,如图2所示,两个谐振电路,具有两个谐振频率。当两个谐振频率相互接近时,便形成频带展宽的双峰谐振电路。

图2 双层微带天线等效耦合电路

图中:G1、L1、C1为馈电的总自电导、自电感、自电容;G2、L2、C2为耦合单元的总自电导、自电感、自电容;Cg为两层单元的互电容。

1.2 天线单元仿真设计

本天线单元选取最常用的矩形贴片天线,且两层贴片外型尺寸一致。上下贴片在馈电点处均开适于点焊的圆孔,天线组装时,只需通过上层寄生单元的圆孔将馈电探针焊接于下层的馈电贴片即可,工艺简单,便于阵列微组装。天线单元上下两层介质均采用常用的Rogers 5880介质基板,基板的厚度为d=0.254 mm,介电常数为εr=2.2。该介质板成本低,性能稳定。

通过HFSS仿真软件仿真计算完成天线单元设计,仿真模型如图3所示。为准确的仿真天线单元的真实性能,焊接圆孔和焊料堆积情况纳入优化范围。相控阵天线单元仿真设计一般需要两步:第一步是孤立天线单元的仿真设计,第二步是天线单元在阵中的仿真设计。孤立单元的仿真设计主要是通过调节天线贴片的长度、宽度以及馈电点的位置,优化孤立天线单元的阻抗匹配、辐射特性,初步确定天线的电性能参数和结构参数。

图3 天线单元仿真模型

文献[3]介绍,适当选择矩形贴片的长宽比可以有效抑制天线的交叉极化,当长宽比a/b≈1.5时,交叉极化电平最低。在本天线单元仿真优化中发现双层贴片的长宽比变大降低天线的交叉极化,但是会降低天线的辐射阻抗,影响天线方向图的对称性。通过仿真优化,当上下两层微带贴片均为2.58 mm×2.58 mm的类正方形结构时,天线单元性能最优,天线单元的驻波曲线如图4所示。

图4 孤立单元驻波曲线

1.3 阵中天线单元有源驻波的仿真优化

通常微带贴片间的互耦是由空间波和表面波同时引起的[4]。互耦效应的存在将导致:阵元输入阻抗与孤立单元的输入阻抗不同,阵元方向图与孤立单元的方向图不同,所以必须对已优化的孤立天线单元加以修正。文献[5-6]运用空腔模型及反应原理,导出了计算两贴片之间互耦的互阻抗公式。文献[7]中则运用传输线模型及反应原理得到两贴片元间的互导纳。这些方法由于所依据模型的限制,计算结果也受到了一定的限制,并不能全面的优化天线单元在阵中的匹配性。

文中主要利用HFSS里周期边界模拟无限大阵列阵中单元情况,通过微调天线单元的馈电位置,优化天线单元在阵中的阻抗匹配特性,天线单元有源驻波仿真结果见图5。在0°～50°扫描角度范围内,天线单元的有源驻波小于2。

图5 天线单元有源驻波

2 在阵列中的应用

为了验证该双层微带天线可广泛应用于相控阵天线,首先仿真设计了一个11×11的阵列天线,仿真模型见图6。天线单元间距为0.6λ0(λ0为中心频点空间波长),当只有阵中央单元馈电时(其他单元都处于匹配状态),阵中央单元的方向图如图7所示,方向图半功率波束宽度约为100°,增益约为7 dB,方向图对称性较好,且水平极化方向图和垂直极化方向图基本一致。

图6 仿真阵列模型

图7 阵中单元方向图

为进一步准确的验证该双层微带天线组阵后天线阵列的扫描特性,文中将上述11×11天线阵列进行实物加工并测试,阵列天线如图8所示,阵列方向图如图9所示,波束扫描角度为0°时副瓣电平低于-12 dB,在其他扫描角度时低于-10 dB。

图8 11×11天线阵实物图

图9 天线阵测试方向图

3 结论

文中以相控阵天线对微带天线的工程应用为出发点,通过分析微带天线理论,设计了一款双层背馈的微带天线单元。并以此为单元组微带阵列天线,通过仿真实物加工测试。此测试结果表明,在±50°扫描范围内,阵中单元有源驻波小于2的带宽超过26%;单元方向图半功率波束宽度约为100°。此结果说明该天线相对带宽不小于26%,且其具备不小于-50°～50°的波束扫描范围,并易于加工制作。从结构上和电性能上均说明该天线可广泛应用于相控阵天线。

[1] 卢晓鹏, 李雁, 李昂. 一种用于微带半波振子天线的新型BALUN [J]. 雷达科学与技术, 2006, 4(4): 236-239.

[2] Oberhart M L, Lo Y T, Lee R Q H. New simplified network for an array module of four microstrip elements [J]. Electronic Letters, 1987, 23(9): 436-437.

[3] 林昌禄. 天线工程手册 [M]. 北京: 电子工业出版社, 2002: 271-299.

[4] 饶佳人. 阵列天线互耦特性研究 [D]. 南京: 南京航空航天大学, 2013.

[5] Malkones M. Mutual coupling between microstrip patchs antennas [J]. Electronics Letters, 1982, 18(12): 510-522.

[6] Penard E, Daniel J P. Mutual coupling between microstrip antennas [J]. Electronics Letters, 1982, 18(14): 605-607.

[7] Van Lil E H, Vande Capelle A R. Transmission line model for mutual coupling between microstrip antennas [J]. IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 1984, 32(8): 816-821.

Broadband Microstrip Antenna for Phased Array Applications

MA Chun’e,CHEN Zhihui,TIAN Lei

(China Airborne Missile Academy, Henan Luoyang 471009, China)

For the application of microstrip antenna in phased array, a broadband miniaturized microstrip antenna with phased array was proposed. The microstrip antenna in this paper adopts double-layer microstrip structure with coaxial probe rear feeding it. The antenna possesses wide bandwidth, wide beam-width, wide scanning angle and easy to process and manufacture. The microstrip patch with these characteristics is suitable for application of phased array antenna. Finally, A 11×11 microstrip array with the element mentioned above has been designed, fabricated and tested. The measurement results show that:the bandwidth with active VSWR below 2.5 takes over 26% within ±50 degree scanning; Element pattern half-power beamwidth is about 100 degree.

microstrip; antenna; wide bandwidth; wide-beam; phased array

2014-12-08

马春娥(1982-),女,山东荷泽人,工程师,研究方向:天馈设计。

TN821.8

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