宽频带低剖面微带天线应用

荣志鹏，李丽娴，邵晓龙，印 倩，张耀丹

(上海航天电子通讯设备研究所，上海 201109)

0 引言

特殊雷达对天线尺寸有严格限制，天线的小型化设计显得格外重要[1]。传统二次雷达天线采用微带阵子的形式，为了降低剖面尺寸，微带阵子天线已经不能满足实际使用需求。微带天线具有剖面薄、体积小、重量轻等优点[2-3]。采用L形探针耦合微带贴片的设计方式，降低了剖面高度，缩小了天线尺寸，进而减小了雷达的尺寸；但是微带天线具有阻抗带宽窄的缺点，限制了微带天线的应用，L形探针耦合馈电方式还具有宽带特性，利用探针水平臂与贴片形成的电容抵消探针的电感，来提高天线带宽[4-6]。本文首先介绍了微带天线的基本原理以及设计方法，其次介绍了微带天线的4种主要的展宽频带的技术，接着设计了L形探针耦合微带贴片单元并设计了6元天线直线阵列，最后加工并测试了直线阵，性能满足指标要求。

1 微带天线设计原理

1.1 工作原理

如图1所示，矩形微带贴片尺寸为a*b，介质基片厚度h<<λ。

该贴片可以看成宽为a，长为b的一段微带传输线。沿长度b方向的终端呈现开路，因而形成电压波腹，即贴片与接地板之间内场的电场强度 |E|最大。一般取b=λm/2，λm是微带线上波长。于是b边另一边也是电压波腹。天线的辐射主要由贴片与地板间沿这两端的a边缝隙形成[7-9]。等效电路如图2所示。

图2 矩形贴片等效电路模型Fig.2 Rectangular Patch Equivalent Circuit Model

1.2 微带尺寸估算

天线中心频率为f0，介质基片的相对介电常数为εr，根据式(1)可以估算出天线的宽w，即：

(1)

式中，c是光速。天线的长度L一般取λe/2，λe为介质波长。λe可以由式(2)得到，即：

(2)

考虑边缘效应，实际L为：

(3)

式中，εe是有效介电常数；ΔL是等效辐射缝隙宽度[10-12]。它们可利用公式计算：

(4)

(5)

2 微带天线宽频带技术

微带天线固有的缺点是频带窄。造成此缺陷的主要原因是其阻抗特性。为了增加微带天线的阻抗带宽，目前主要有4种方法[13-15]：

① 降低等效电路的Q值；

② 修改等效电路为多调谐回路：附加寄生贴片，加载缝隙等；

③ 改进馈电方法：电磁耦合馈电、L形探针耦合馈电等；

④ 采用阵列技术，采用对数周期阵结构或行波阵等。

方法1降低等效电路Q值，主要是增大介质厚度h，降低介质相对介电常数εr，但是增大h会导致剖面增大，而降低εr会导致微带贴片尺寸增大。方法2的附加寄生贴片会导致微带贴片尺寸增大，加载缝隙会导致方向图指向发生偏移。方法4是采用阵列技术。这里采用方法3中的L形探针耦合馈电，既能满足尺寸要求，又能满足带宽要求。

3 L形探针耦合微带贴片的设计

天线带宽为f0-f3，要求天线的驻波在频带f0-f3内小于1.8，在f1-f2频带内小于1.5，其中f0

图3 上层贴片Fig.3 Upper layer patch

图4 L形探针与贴片的几何关系Fig.4 Geometric relationship between L-shaped probe and patch

根据公式计算，结合软件仿真，微带贴片尺寸为a*b，泡沫厚度为h，L形探针垂直臂长度为d，水平臂长度为m，探针直径为R。

在此基础上，设计了一款6元的天线阵列，如图5所示。

图5 天线阵列Fig.5 Antenna array

3.1 仿真结果

仿真过程中，调整优化各个参数值，得到满足要求的驻波，如图6所示，为左半边天线单元各口的驻波。

图6 天线驻波Fig.6 VSWR of antenna

由图6可以看出，在f0-f3的频带内，VSWR<1.8，在f1-f2频带内驻波小于1.5。

各频点和、差方向图如图7和图8所示。其中f1

图7 各频点方位维和、差方向图Fig.7 Azimuth directional pattern of each frequency point

图8 各频点俯仰维和方向图Fig.8 Elevation directional pattern of each frequency point

天线阵列各频点的仿真方向图性能指标如表1所示。

表1 各频点的仿真方向图性能
Tab.1 Simulation pattern of each frequency point

频率/GHz方位波宽/(°)俯仰波宽/(°)增益/dBi差零深/dBf122.275.612.03-26.3fx20.670.212.77-26.6f219.665.313.30-28.3

3.2 实物加工与实际测试结果

实物如图9所示。实测驻波如图10所示。

图9 天线实物图Fig.9 Antenna physical picture

图10 和口与差口的驻波Fig.10 VSWR of each port

和口与差口的驻波，在f0-f3的频带内，部分频段的驻波在1.8～2.0之间；在f1-f2频带内，部分频段的驻波在1.5～2.0之间，这是由于相邻单元之间的间距小，导致隔离较大，对和口差口的驻波产生影响。在后续改进中，会适当增大相邻单元之间的距离。

实测各频点和、差方向图如图11和图12所示。

图11 实测各频点方位维和、差方向图Fig.11 Actual test of azimuth directional pattern of each frequency point

图12 实测各频点俯仰维和方向图Fig.12 Actual test of elevation directional pattern of each frequency point

天线阵列各频点的仿真方向图性能指标如表2所示。

表2 各频点的实测方向图性能
Tab.2 Actual test pattern of each frequency point

频率/GHz方位波宽/(°)俯仰波宽/(°)增益/dBi差零深/dBf124.857.89.41-22.8fx22.866.410.83-39.3f220.262.510.78-33.3

实测增益比仿真增益分别低了2.62，1.94，2.52 dB，原因有3点：① 和差网络损耗约0.5 dB；② 线缆损耗约0.5 dB；③ 功分器损耗约1.1 dB。

4 结束语

本文设计了一款宽频带低剖面微带贴片天线，利用L形探针馈电方式，实现宽频带特性。仿真与实测结果表明，各项参数均满足指标要求。该天线形式为二次雷达天线的设计提供新的选择，当雷达要求对天线的尺寸与重量提出严格要求时，该天线提供了新的解决方式。目前，该天线已在某型号雷达上进行应用，该设计方法也可以为其他雷达天线设计提供参考。L形探针耦合馈电贴片天线的装配难度大，在装配过程中发现探针相对上层贴片的位置会有偏差，在后续的研究中会改进装配方法，进一步提升天线的性能。