一种共口径双频天线阵列设计

赵仁荣, 齐 松, 林嘉宏, 薛佳成, 张 洁

(上海无线电设备研究所,上海201109)

0 引言

现代无线通信系统往往拥有多个工作频带,这要求相应的天线具有多频工作能力[1-3]。同时,为了尽可能减小空间需求,要求天线阵列采用共口径设计。一种简单有效的方法是在某一频率天线阵列阵元间隙中穿插其他频率的天线,以组成双频或多频阵列。但由于不同频率天线之间的耦合影响,原本的天线工作频率可能发生偏移,需对天线进行修正处理,步骤复杂。滤波天线将滤波器与天线集成在一起,不仅具有普通天线辐射功能,还有一定的滤波性能,能够减小频带外信号对天线的干扰,极大地增加了天线的抗干扰能力[4-8]。这意味着在双频天线阵列设计中,可以使用滤波天线作为天线阵列的辐射单元,从而使得两种不同频率的天线互不干扰,实现独立设计,简化设计步骤。本文提出了一种端射滤波天线结构,双频阵列采用三角分布和穿插分布的形式,通过对其子阵列的仿真,分析验证其阵列设计方式的有效性和可行性。

1 天线单元设计

天线结构如图1所示。采用级联设计的方法,将天线分为两部分：滤波部分由带通滤波器和阻抗变换器组成,将天线阻抗变换到50Ω;天线部分为一个印刷偶极子天线,作为天线的辐射单元。由于采用了级联式结构,因此天线的设计过程可以分开独立进行。

图1 滤波天线结构图

1.1 滤波器设计

滤波器结构如图2所示,它由两个对称U形谐振器和两个非对称U形谐振器组成,基本参数见仿真表。单个谐振器可以看成弯折的半波长开路谐振器,因此其谐振频率由其长度确定。两个外部谐振器作为主要的耦合单元,其耦合系数k=0.21。内部谐振器为弱耦合,主要调节滤波器的零点位置,改善通带性能。内部谐振器与外部谐振器以及内部谐振器之间的耦合系数分别为0.055 9和0.024 5[9]。滤波器的输入端接50Ω的传输线,输出端接印刷偶极子天线。由于偶极子天线的输入阻抗约为73.2Ω[10],因此输出端选择了73.2Ω的传输线。输入端则通过一段梯形阻抗变换线与50Ω传输线进行匹配。滤波器的散射参数仿真结果如图3所示。其中,低频滤波器在高频滤波器的通带内产生了一个传输零点,这个零点有利于进一步增加不同频段天线之间的隔离度。

图2 滤波部分结构图

1.2 天线设计

偶极子天线作为一种基本的天线单元,辐射效率高、结构简单、设计方便。同时,微带偶极子天线制作在微带板上,具有加工成本低、易于集成、低剖面等优点。一般偶极子天线的单臂长度为四分之一波长,从而构成半波偶极子。为了获得单向辐射特性,在偶极子后方四分之一波长位置设置反射器。本设计选用偶极子天线作为天线的辐射部分,其结构如图4所示,图中虚线部分表示背面的金属。天线的仿真方向图如图5所示。由图5可知,该偶极子天线具有较宽的波束宽度,其中H面的3 dB波束宽度为199.8°,E面的波束宽度为79.3°。

1.3 滤波天线设计

通过级联的方式,分别设计了中心频率为10 GHz(低频)和12 GHz(高频)的滤波天线单元,其结构如图1所示。两个不同频率的天线均采用Rogers 5880作为介质基板,尺寸为27 mm×13.8 mm×0.508 mm,其他具体参数如表1所示。

图3 滤波器散射参数仿真结果

图4 偶极子天线部分结构图

滤波天线反射系数和增益的仿真结果如图6所示。通过仿真结果可以看出,天线具有良好的频率选择特性,带内增益平稳,带外拥有良好的辐射抑制特性。低频天线带内最大增益为4.2 dB,高频天线带内最大增益为3.5 dB。

图5 偶极子天线方向图

表1 滤波天线结构参数 单位为毫米

图6 滤波天线反射系数和增益曲线

2 天线阵面分析

图7为天线阵面结构图,图中深颜色表示低频天线,浅颜色表示高频天线。为了保证天线没有栅瓣,采用了三角排布的形式。在30°扫描角的情况下,阵列间距应满足

式中：λ0为对应频率的自由空间波长。本文选择d1=13.8 mm,d2=8.0 mm。由图7可知,一个高低频混合组合的天线阵列,可以分割成若干个如右下角虚线框中所示的子阵列。为了减小计算量,仅对虚线框中的子阵列进行隔离效果仿真分析。

图7 天线阵列结构图

图8 非滤波偶极子天线阵列单元散射参数

图9 滤波天线阵列单元散射参数

根据图7的排布结构,两个低频天线的端口分别记为1、4,高频天线的端口记为2、3。为了说明滤波天线在天线阵列应用中的优势,对非滤波偶极子天线组成的相同子阵列的性能进行了仿真对比。非滤波天线阵列和滤波天线阵列的S参数仿真结果分别如图8和图9所示。通过图8可以看出：(1)由于不同频率天线之间的相互影响,原本应工作于10 GHz的低频天线,其谐振频率向高频偏移。一般情况下,为了补偿这种频偏,需要加大低频偶极子的臂长,这使得天线的尺寸变大;(2)不同频率天线间的耦合效果显著,隔离度差。由图9可知：阵列中的两个天线各自工作在设定的频率中,互不影响,不同频率间的隔离度达到30 dB以上。

图10给出了利用方向图乘法原理仿真的6×6阵列(如图7)在0°和30°扫描角的情况下E面和H面的方向图。其中,单元方向图按图7所示子阵形式,利用HFSS仿真软件计算得到。阵列方向图仿真结果显示天线阵列具有很好的辐射特性,在30°扫描角的情况下,方向图在低频段和高频段均没有栅瓣产生。

图10 天线阵列方向图仿真结果

3 结论

本文提出了一种共口径双频天线阵列设计方法。该阵列采用滤波天线作为其天线单元,利用滤波天线的频率选择特性,极大地提升了不同频率单元间耦合抑制效果,使得两种天线单元可以独立设计;利用三角排布和穿插式阵列设计,有效地利用了天线空间,缩小了阵列面积。