一种低剖面强耦合宽带相控阵天线的设计

申强强,汪隽潇,杨 康

(中国船舶集团有限公司第八研究院,南京 211153)

0 引 言

基于强耦合效应的相控阵天线设计与传统相控阵天线的设计有很大不同。在设计传统相控阵天线时,天线单元设想为理想的点源,相对独立,为了减小天线单元之间产生的耦合效应,可能会采取增加天线单元间距、在金属底板上开槽、使用EBG结构等复杂措施,这些措施都增大了天线的设计难度及其最终的加工难度。而基于强耦合效应的相控阵天线利用天线单元之间的耦合效应拓展天线单元的带宽,并在阵列宽角扫描时表现更好。在结构尺寸上,由于天线单元之间的耦合可缩减天线单元的尺寸,因此天线的剖面高度得以降低。

1 原理及设计

天线单元采用一种平面形式的强耦合蝶形振子天线,图1给出了一个单元周期内天线单元的三维仿真模型,天线单元主要由蝶形振子、接地耦合贴片、反射板(含金属支撑架)和微带巴伦组成。蝶形振子通过微带巴伦与同轴连接器连接,蝶形振子之间预留孔洞,微带巴伦从孔洞中伸出,并与蝶形振子进行焊接。为了实现低剖面的特性,在相邻天线单元之间引入容性接地耦合贴片,引入的电容起到储能电荷的作用,使阵元末端的电流不会趋于零。加上外接电容对于紧密耦合的偶极子阵列来说,耦合度的强弱直接与重叠或交叠部分紧密相关,因而不同形式的耦合所能实现的带宽也往往会有所不同。一般来说,阵元之间的容性耦合越强,阵列天线所能实现的带宽也越宽,然而耦合强度毕竟受限,对带宽的展宽也有一定的限制,因此,通过合理调整相邻单元之间的耦合强度可以展宽阵中天线单元的带宽[1]。

(a)天线单元

在工作时,偶极子天线两个振子上的电流须保持180°的相位差,才能将能量很好地辐射出去。偶极子天线为一种平衡结构,而用于馈电的同轴连接器为非平衡结构,之间通过巴伦实现这种非平衡到平衡的转换。微带渐变线巴伦为一种常见的巴伦形式,能够起到非平衡到平衡转换和阻抗变换的作用[2]。这种巴伦结构是在印制板两面印刷两条宽度不同的渐变微带线,同轴连接器的内导体与较窄的微带线连接,外导体与另一边的微带线连接,这样巴伦可将同轴连接器不平衡结构转换为双线的平衡结构。

可以通过无限大阵中的天线单元仿真来优化天线单元设计。在图1(a)天线单元的4个侧壁分别设置主从边界条件,模拟无限大阵列中天线单元周围电磁环境的周期性变化,在距离天线单元的顶部λL/2处,设置辐射边界条件或PML边界条件,吸收天线单元辐射出的电磁波。天线参数如表1所示,其中D为单元间距,W为天线子阵宽度,H为天线单元高度。

表1 天线尺寸表

依照蝶形振子方向进行切割,尺寸为DE×DH,蝶形振子之间的耦合贴片被分为两部分。天线单元印制板采用介电常数2.2的Duroid 5880,厚度2 mm。图2给出了无限大阵中天线单元的驻波特性仿真结果,在要求的频率范围内,天线方位面±45°扫描情况下,天线单元有源驻波≤2.5。

图2 无限大阵中天线单元有源驻波

2 阵列天线测试

依据以上仿真的天线单元加工一个8×8的天线子阵样件,天线单元之间的间距为0.35λ0,天线子阵尺寸为2.8λ0×2.8λ0,如图3所示。

图3 天线子阵照片

天线单元的有源反射系数通常无法直接测量得到,应先测量天线单元的无源反射系数和天线单元之间的传输系数,最终将测得的数据进行合成,最终得到天线单元的有源反射系数。在测试天线单元无源反射系数时,其他天线单元须连接匹配负载;在测试天线单元之间的传输系数时,其他天线单元也须连接匹配负载。有源反射系数可表示为

式中,an为第n个单元的幅度和相位;Smn为第m、n个单元之间的传输系数。

利用上式合成有源反射系数,最终可以将天线单元有源反射系数转化为天线单元有源驻波。在合成第m个单元的有源反射系数时,利用了该单元的无源反射系数以及单元周围的63个单元与m单元的传输系数。

图4给出了中心单元在方位面扫描时的有源驻波,天线方位±45°扫描情况下,天线中心单元有源驻波≤3。

图4 中心单元有源驻波

在微波暗室测试天线子阵,每一列天线单元通过一个1分8功分器合成,之后连接到一个6位数字移相器,最终通过控制每列天线的相位实现天线子阵方位面波束扫描控制。测试方向图如图5～图7所示,天线子阵可实现方位±45°范围内的波束扫描。

(a)主极化 (b)水平极化 (c)垂直极化

(a)主极化 (b)水平极化 (c)垂直极化

(a)主极化 (b)水平极化 (c)垂直极化

为了同时接收水平极化和垂直极化信号,天线设计为斜45°极化。但在波束扫描时可能出现极化扭转,造成水平极化分量与垂直极化分量相差较大。因此,测量该天线扫描情况下水平极化和垂直极化分量,结果如图8所示,图中3条曲线自上而下分别为天线子阵主极化、水平极化、垂直极化在方位±45°扫描下的增益,水平极化和垂直极化两个极化分量差异小于3 dB。在方位±45°扫描下天线极化未出现较大极化扭转,保证对该范围内水平极化和垂直极化信号均具有良好的接收能力。

3 结束语

本文设计了一种低剖面强耦合宽带相控阵天线,该天线采用斜45°极化,兼顾了水平极化和垂直极化信号的接收需求。经过仿真与测试对比,天线在方位±45°扫描情况下有源驻波仍小于3,天线具有方位±45°范围内波束扫描功能,并且极化特性良好,水平和垂直两个极化分量差异小于3 dB,满足工程需求。