一种基于缝隙电磁耦合馈电的印刷振子阵列天线研究

陈 伟，张 敏，郭玉霞，崔炳喆，2，王岩岩

(1.中国空空导弹研究院，河南 洛阳 471009;2.航空制导武器航空科技重点实验室，河南 洛阳 471009；3.哈尔滨工业大学(威海) 信息科学与工程学院，山东 威海 264209)

0 引 言

在大多数以飞行器为载体的雷达和通信设备中，配置的天线系统通常具有较高的性能指标要求；天线不仅要满足电气指标及辐射指标，还需要满足局域结构简单、成本低、易共形等特性。近年来，随着空空导弹抗干扰、抗杂波需求不断提升，对空空导弹弹载天线设计也提出了更高的要求，不仅要考虑天线的抗过载能力、低副瓣特性、电磁兼容性，还需要兼顾成本及结构尺寸要求。研究并设计小尺寸、电磁兼容性好、副瓣低、过载能力大的弹载天线对提升雷达导引系统性能具有重要意义。

采用缝隙耦合馈电的印刷偶极子天线，具有工作频带宽、结构简单、重量轻、易集成等特性，被广泛应用于军事和通信领域。王灿等人[1]设计一种宽带双极化印刷振子通信基站天线，该天线具有双层贴片结构，通过馈电巴伦底部梯形弯曲结构提高了端口隔离度；采用双臂上端附加短路T形贴片设计扩展了带宽。随后，后磊等人[2]提出了一种基于多谐振的宽频对称振子天线，具有波束指向稳定性好、增益高等特点，其巴伦转换结构设计使得天线方向图具有更好的对称性。秦冬梅等人[3]提出了一种基于双面平行带线结构的印刷偶极子天线，由于采用渐变巴伦馈电结构，该天线具有良好的驻波带宽，此外通过巴伦结构实现不平衡/平衡变换并完成阻抗匹配[4-9]。和传统的半波振子天线类似，印刷振子天线的巴伦种类很多，设计较为复杂，而且结构和机械性能的一致性是一个难题；采用同轴线馈电是一种常见的馈电方式，馈电网络结构复杂，电磁干扰严重，产生较大的电磁兼容性问题[10-11]。近年来，对印刷振子天线的研究集中在宽频带、圆极化、双极化、小型化、阵列应用以及紧耦合等领域[12-18]。其中李蒙等人[19]设计了一种可用于5G网络的印刷偶极子天线，利用地槽、曲流等技术增加带宽，结构比较复杂且对加工精度要求高，工程实现性较差；常树茂等人[9]提出了一种伞形印刷振子天线设计方案，较好地解决了弹载天线尺寸问题，但需要解决隔离度问题。

针对空空导弹弹载印刷振子天线电磁兼容性设计难题，本文提出了一种基于缝隙电磁耦合馈电的印刷振子阵列天线的实现方案，设计了一种缝隙结构的电磁耦合馈电网络，改善了天线阵列的电磁兼容效果。通过引入耦合馈电方式，降低了馈电网络设计的复杂性，利用金属地板屏蔽与隔离方式以提高天线的辐射性能和电磁兼容性能，采用印刷振子天线方式替换传统的金属振子达到降低成本以及工程实现难度的目的。结合弹载天线常见波段范围，优化设计了一种四单元直线型振子阵列天线，天线实测结果满足设计指标。相对于传统的振子天线，考虑工程可行性，设计的天线结构更为简单，馈电方式易于设计，具有较好的工程应用价值[19]。

1 缝隙电磁耦合馈电印刷振子阵列天线的结构设计

本文提出的基于缝隙电磁耦合馈电的印刷振子阵列天线整体结构示意图如图1所示。图1(a)为阵列天线的整体结构图，天线整体由三层介质基板构成，最上层为振子辐射器层，中间层为印刷平面巴伦，最下层为馈电网络层；图1(b)为前视图，图1(c)为整体结构后视图，可以看到天线的馈电网络的形状和位置。该天线选择的微带电路板的相对介电常数为2.65，其中上层介质基板厚度为1 mm,中间层、底层介质基板厚度均为0.5 mm。

图1 印刷振子阵列天线的结构图Fig.1 Structure of the printed dipole array antenna

利用HFSS软件对印刷振子阵列天线进行参数化建模，并对巴伦和电磁耦合结构进行重点设计和优化。图2给出了本文设计的印刷振子阵列天线的三层介质基板结构的模型图和参数定义。

设计的印刷振子天线的辐射器为印刷半波振子，有四个相同的单元组成直线阵列，振子的长度为L_dipole，宽度为W_dipole；由于对称印刷振子为平衡结构，因此需要加入巴伦实现不平衡到平衡之间的转换，图2(b)中的介质为平面印刷巴伦，它将微带线的不平衡端转换为平行双线的平衡端，同时实现阻抗变换功能。电磁耦合结构主要由矩形缝隙、上层微带线和下层微带线组成，依靠矩形缝隙实现电磁能量的转换和传递，该结构可等效为一个变压器模型，其参数包括缝隙长度L_slot，缝隙宽度w_slot，微带线偏离矩形缝隙中心线的位置pos_x_lower，这些参数根据阻抗匹配和谐振的要求，采用全波电磁仿真的方法确定其大小。图2(c)为最下层的馈电功率分配网络，本文采用一分二的等功分网络，图中包含了阻抗变换段和调谐调配结构。

图2 印刷振子阵列天线的三层介质基板结构图Fig.2 Structure of three-layer dielectric substrate for printed dipole array antenna

2 缝隙电磁耦合馈电设计印刷振子阵列天线仿真

本文采用全波电磁仿真软件对基于缝隙电磁耦合馈电的印刷振子阵列天线进行参数化建模，并对天线结构进行扫参和优化，使天线驻波性能满足指标要求。天线驻波 (VSWR)仿真结果如图3所示，在18.7～19.2 GHz范围内VSWR≤2，在18.5～19.4 GHz范围内VSWR≯3。与此同时，从图中还可以看出，中心频点上天线输入端的电阻约为50 Ω，电抗近似为零，天线处于谐振状态。

图3 天线电路特性仿真结果Fig.3 Simulation results of circuit characteristics for antenna

基于缝隙电磁耦合馈电的印刷振子阵列天线在中心频率处的天线辐射方向图仿真结果如图4所示，图中分别给出了天线E面和H面辐射方向图。从仿真结果可知，该印刷振子阵列天线在E面的波束更窄，其中E面波束宽度约为21°，H面波束宽度约为43°；天线增益约为8.9 dBi，而且主瓣方向为近似线极化特性。

图4 频率为19 GHz时的辐射方向图仿真结果Fig.4 Simulation results of radiation patterns at the frequency of 19 GHz

为了进一步研究结构参数对基于缝隙电磁耦合馈电的印刷振子阵列天线回波损耗特性的影响，仿真分析了振子长度、缝隙长度、缝隙宽度、参数L_1对回波损耗的影响，结果如图5所示。从图5中可以看出，天线的谐振频率随着振子长度、缝隙长度、缝隙宽度和参数L_1的增加向着低频移动，耦合缝隙的宽度增大时，谐振效果变好。馈电微带线偏离中心线的距离越大，谐振点高频移动趋势愈加明显。总之，当振子长度为3 mm，缝隙长度为4.3 mm，缝隙宽度为0.48 mm ，L_1为3 mm，馈电微带线偏离中心线的距离为1 mm时，设计的基于缝隙电磁耦合馈电的印刷振子阵列天线处于谐振状态，效率较高。

图5 回波损耗随着结构参数的变化规律曲线Fig.5 Results of the return varying with structure parameters

3 印刷振子阵列天线的加工测试

基于缝隙电磁耦合馈电的印刷振子阵列天线的设计参数，对天线进行了加工、组装和测试。采用微波矢量网络分析仪对加工的基于缝隙电磁耦合馈电的印刷振子阵列天线的驻波特性进行测试，测试结果如图6所示。由图6可知，在工作带宽内天线的电压驻波比都低于2，天线处于谐振状态。

图6 天线电压驻波比测试结果Fig.6 Test results of antenna VSWR

为了进一步分析天线性能，对本文设计的印刷振子天线阵列的辐射特性进行了测试。图7为天线阵列工作在19 GHz时，辐射方向图E面和H面实测结果。从测试结果可以看出，实测结果与图4中的天线方向图仿真结果基本一致(实测方向图增益比仿真方向图低0.5 dB)。

图7 频率为19 GHz时的辐射方向图测试结果Fig.7 Test results of radiation patterns at the frequency of 19 GHz

4 结 论

本文提出了一种基于缝隙电磁耦合馈电的印刷振子阵列天线的实现方案，采用双臂印刷振子作为辐射器，利用印刷平面巴伦激励平衡振子臂，完成了一种基于缝隙结构的电磁耦合馈电网络设计，采用金属地板屏蔽与隔离方式，提高天线辐射器和馈电网络间电磁隔离度，有效改善了天线的辐射性能和电磁兼容性能。设计的振子天线阵列采用印刷电路技术实现，结构紧凑，成本低廉，适合于工程应用。同时，仿真和优化了一个四单元直线阵列天线，研究天线的结构和参数，在工作带宽内，天线性能满足设计要求，测试结果与仿真一致。本文研究的基于缝隙耦合的阵列天线馈电方案同样可用于空面、空地弹载天线设计，在通信、遥感、自动驾驶领域均具有重要的应用价值和借鉴意义。