新型双波段共面微带/波导单脉冲天线设计

姚凤薇　田晓青　商远波

(上海电机学院电子信息系,上海 201306;2.电磁散射重点实验室,上海 200438)



新型双波段共面微带/波导单脉冲天线设计

姚凤薇1,2田晓青2商远波2

(上海电机学院电子信息系,上海 201306;2.电磁散射重点实验室,上海 200438)

摘要提出了一种新型共面双波段单脉冲天线设计方法,分别给出了两个频段的驻波曲线和辐射方向图的测试结果．该天线在有限的空间内采用小型化边缘馈电的微带天线阵列与波导缝隙天线阵列复合,实现了两个频段的单脉冲天线共口径排布,天线厚度29 mm,重量小于1 kg.测试结果表明该新型双波段单脉冲天线能够在X、K两个特定频段下分别得到-19 dB和-22 dB的副瓣性能及38%和45%的辐射效率,实现了与单模相当的单脉冲方向图性能,满足了未来复合制导系统对高性能天线的需求.

关键词共面;单脉冲;双波段;副瓣

DOI10.13443/j.cjors.2015031901

Design of a new dual-band co-plane microstrip/waveguide monopulse antenna

YAO Fengwei1,2TIAN Xiaoqing2SHANG Yuanbo2

(1.SchoolofElectronicInformationEngineering,ShanghaiDianJiUniversity,Shanghai201306,China;2.ScienceandTechnologyonElectromagneticScatteringLaboratory,Shanghai200438,China)

Abstract A new dual-band co-plane microstrip/waveguide monopulse antenna is presented with its measured voltage standing wave ratio (VSWR) curve and radiation patterns. Based on the development of a new microstrip line array fed at the side and a novel compact slot patch antenna loaded with a pair of spirals, a dual-band co-plane monopulse antenna is realized with 29 mm height and less than 1 kg weight. The measured side-lobe level is lower than -19 dB and -22 dB in X-and K-band and the measured efficiency reaches 38%and 45% respectively, which is in a similar level of single band monopulse antenna. The measured results confirm the validity of this design and this antenna can meet the need of dual mode compound guidance system in future.

Keywordsco-plane; monopulse; dual-band; side-lobe

引言

复合制导系统具有作用距离远、抗干扰能力强等优点,已成为精确制导武器的重要发展方向.双波段单脉冲天线作为复合制导系统的关键部件,其性能的优劣将直接影响系统的抗副瓣截获、抗杂波等综合作战能力,已经成为国内导弹技术研究的热点之一,具有很好的研究前景与实用意义.

传统的双波段单脉冲天线采用卡塞格伦天线形式,设计简单但纵向尺寸较大,效率较低,不适合弹载及星载应用[1-4].近年来,通过研究者的不断努力,双频段单脉冲天线综合性能逐渐提高,如双波导复合的双频单脉冲天线,两频段天线效率达到40%,但天线厚度为40 mm,重量为1.2 kg[5].波导与微带复合的双频段单脉冲天线,质量较轻,若微带幅射阵面与和差网络共面加工,单元与馈线耦合较大,微带天线副瓣-10 dB左右[6];若将和差网络与微带阵面分层排布可以解决耦合问题,但微带天线从中心穿过波导天线向下馈电,会破坏波导天线阵面幅度分布,导致波导天线副瓣性能下降.

本文提出了一种新型的波导微带复合天线,采用的小型化边缘馈电微带阵列设计克服了上述问题,在一个空间内实现了X波段、K波段双波段单脉冲天线设计,该天线质量轻,剖面低,经过试验验证,单脉冲性能优越.下面给出分析及测试结果.

1双波段天线理论设计

双频单脉冲天线中X波段微带辐射阵面印刷在相对介电常数εr=2.2,厚度为0.16 cm,介质损耗tan为0.000 9的介质板上,置于复合天线最前端.K波段天线采用传统的波导缝隙天线形式,波导天线表面充当微带板的接地面.微带天线单元与波导辐射缝隙交叉排列,串联的边馈微带天线通过馈电同轴在阵面边缘与波导功分和差网络连接,避免了从波导阵列中心向下打孔对其阵面幅度分布的影响.

1.1X波段天线设计

1.1.1微带天线单元设计

传统的微带天线单元谐振尺寸与频率成正比,为了能与波导辐射缝隙交叉排列必须对天线单元进行小型化设计.

在微带天线小型化设计中,表面加载缝隙是天线尺寸减缩的有效方法之一[7-8].如图1所示,本设计在贴片左右对称加载了两个缝隙,缝隙切断了原先的表面电流路径,使电流绕槽边曲折流过而路径变长,相当于增加了天线的有效尺寸,使天线谐振频率降低,实现了单元小型化设计.

(a) 矩形贴片天线

(b) 自加载小型化微带天线图1　天线单元表面电流分布示意图

考虑到微带板安装的平整度,最初选用2 mm厚的介质板,但采用Ansoft HFSS计算时发现厚的介质板会降低下层波导缝隙天线的辐射效率,综合考虑,最终选取了1.5 mm厚的介质板.但当介质板厚度降为1.5 mm时,金属贴片与地板之间的电容增强,输入阻抗偏容性,微带单元阻抗失配,因此必须引入新的电感分量来补偿由于厚度变薄带来的电容增强.基于上述分析,如图1(b)所示，本设计在贴片单元两端自加载了两个简单的螺旋电感,输入阻抗的感性分量得到了有效补偿.

根据计算本设计给出的自加载缝隙微带天线单元比普通矩形贴片减小了40%,阻抗带宽为5.1%[9].

1.1.2边缘馈电的微带天线阵列设计

如图2所示,天线方位面采用串联馈电形式,阵列从边缘馈电,阵列中心短路.短路点距最近的贴片距离为四分之一介质波长,相当于电磁波从馈电点馈入到短路点反射后与之前的能量同向叠加.每个单元的幅度大小通过添加四分之一阻抗变换段调节.由于阵列中心短路,改变了阵列的输入阻抗,因此馈电点处添加了阻抗匹配枝节.考虑到微带网络的损耗较大,天线俯仰面采用波导功分网络,通过馈电同轴在阵面边缘与每个微带线阵连接.

图2　边缘馈电的微带天线线阵示意图

1.2K波段天线设计

K波段天线采用谐振式波导缝隙天线形式,每个缝隙的中心间距取λg/2(λg为导波长),为了实现高效率,每根波导终端短路,形成驻波阵.

由于缝隙天线表面加载了介质板,在缝隙天线计算时需考虑介质板的厚度和介电常数带来的影响.在Ansoft HFSS 软件中建立如图3所示模型,该段波导用空气填充,表面加载厚1.5 mm介电常数2.2的介质板,波导总长3λg/4,距离缝隙中心λg/4是波导的终端短路板,另一端距离缝隙中心λg/2处为激励波端口.根据阵面的幅度分布大小确定每个缝隙的导纳值,可以计算出每个缝隙的偏移量和长度[10].

图3　单个缝隙计算模型

1.3双波段天线设计

X/K双频段复合天线口面分别采用-25 dB和-35 dB的Taylor口径分布,分层模型如图4(a)所示.小型化后的微带边馈阵列与波导缝隙阵列交叉排列实现双频段天线的共口径排布,两天线极化相同.

如图4(b)所示,两频段和差网络均采用波导结构,每个和差器由4个波导魔T构成,在将天线的阵面划分成4个象限后,利用魔T的正交特性信号经和差比较器产生和信号、方位差信号与俯仰差信号.为了合理空间布局,K波段和差网络在中心排布,X波段天线和差网络排布在阵列边缘一周.

加工得到的双频段复合天线厚度29 mm,重量小于1 kg.

(a) 天线分层图

(b) 两频段和差网络分布图图4　双波段天线结构示意图

2天线测试结果分析

对加工好的双频段单脉冲天线进行了测试,驻波系数曲线如图5、6所示,X波段天线在所要求的频带内小于2.0,K波段天线在所要求的频带内小于1.6.

图5　X波段天线驻波系数实测曲线

两波段中心频率测试方向图如图7、8所示,由于受到X波段高次模的影响,K波段天线方位面和俯仰面在±45°左右副瓣均有抬高,实际测得的中心频率副瓣低于-22 dB,零深小于-30 dB,辐射效率为45%.

X波段天线测试得到的副瓣低于-19 dB,零深小于-28 dB,辐射效率为38%.在安装中,馈电同轴通过螺钉与下层俯仰面功分网络固定连接,安装带来的不一致在相邻微带线阵间引入了一定的相差,因此导致X波段天线副瓣和效率性能略有下降,可以通过改进结构来减小安装带来的相位差,这尚待研究.

(a) 方位面

(b) 俯仰面图7　K波段天线中心频率和差方向图

(a) 方位面

(b) 俯仰面图8　X波段天线中心频率和差方向图

3结论

通过提出小型化自加载微带天线单元、边缘馈电微带天线阵列等新型设计,实现了一种X和K双波段单脉冲复合天线设计,解决了现有双频段天线中纵向尺寸大、质量大、综合性能较差的问题.根据测试K波段和X波段天线副瓣、零深、效率等关键性能与单频单脉冲天线性能相当.这种新型的复合形式充分发挥了波导阵列天线和微带阵列天线的各自优点,满足复合制导系统对高性能天线的需求．

参考文献

[1]陈勇. 多波段共面天线研究[J].微波学报,2006, 22(4):43-45.

CHENG Y. The study on multi-band co-planar antenna[J].Journal of microwave,2006, 22(4): 43-45.(in Chinese)

[2] 张文涛, 蒙喜球. 弹载双波段共面单脉冲天线的设计[J].航空兵器, 2007(4): 34-36.

ZHANG W T, MENG X Q. Design of monopulse dual-band antenna with common reflector of missile[J]. Aero weaponry, 2007(4): 34-36. (in Chinese)

[3] 吴翔. 共反射面双频段单脉冲馈源设计 [J]. 微波学报, 2004, 20(3): 47-50.

WU X. Design of mono-pulse dual-band feed with common reflector [J].Journal of microwave, 2004, 20(3): 47-50.(in Chinese)

[4] 张凤林, 刘玉杰. L/S双频段圆形阵列单脉冲抛物面天线[J]. 电子与信息学报, 2007,29(11): 2743-2746.

ZHANG F L, LIU Y J. L/S dual bands monopluse paraboloid antenna [J]. Journal of electronics & information, 2007, 29(11): 2743-2746. (in Chinese)

[5] LIU Y Y, YAO F W. Co-aperture dual-band waveguide monopulse antenna [C]//Proceedings of The International Symposium on Antenna and Propagation. Nanjing, October 23-25, 2013:685-688.

[6] JAHAGIRDAR D R.Novel X+Ku Dual band monopulse array antenna[C]//Antennas and Propagation Society International Symposium, July 8-14, 2012:1-2.

[7] 韩国栋, 顾长青. 加载十字分形缝隙的小型化微带天线[J].电波科学学报, 2008, 23(2): 247-251.

HAN G D, GU C Q. Quasi-siepinski carpet microwave antenna with cross fractal slots[J]. Journal of radio science, 2008, 23(2):247-251.(in Chinese)

[8] 姚凤薇, 钟顺时. 新型带扇形馈源的宽带缝隙天线[J], 电波科学学报, 2005, 20(5): 675-677.

YAO F W, ZHONG S S. A new broadband slot antenna with a fan-shaped microstrip [J]. Journal of radio science, 2005, 20(5): 675-677. (in Chinese)

[9] YAO F W, XUAN X B. A novel monopulse edge-fed microstrip array[C]//5th International Symposium on Microwave Antenna Propagation and EMC Technologies for wireless communications, October 29-31,2013:197-199.

[10]王宏建.星载Ku波段波导缝隙天线的缝隙特性分析[J].电波科学学报,2012,27(6):1225-1231.

WANG H J. Slot characterization of space-borne waveguide slots array in Ku band[J]. Journal of radio science, 2012, 27(6):1225-1231. (in Chinese)

姚凤薇(1979-),女,安徽人,博士,主要研究方向为微带天线智能天线和电磁场理论等方面的研究．

田晓青(1987-),女,江苏人,硕士,主要研究方向为微带天线、微波电路等．

商远波(1981-),男,山东人,硕士,主要研究方向为波导天线和多频复合天线设计．

作者简介

中图分类号TN821

文献标志码A

文章编号1005-0388(2016)01-0180-05

收稿日期：2015-03-19

姚凤薇, 田晓青, 商远波. 新型双波段共面微带/波导单脉冲天线设计[J]. 电波科学学报,2016,31(1):180-184.DOI: 10.13443/j.cjors. 2015031901

YAO F W, TIAN X Q, SHANG Y B. Design of a new dual-band co-plane microstrip/waveguide monopulse antenna[J]. Chinese journal of radio science,2016,31(1):180-184. (in Chinese). DOI: 10.13443/j.cjors.2015031901

资助项目: 国家自然科学基金(61201116)

联系人： 姚凤薇 E-mail：jojoyao@163.com