趙國強(qiáng) 時(shí) 亮 陳卓著 孫厚軍 呂 昕

(北京理工大學(xué)信息與電子學(xué)院，北京 100081)

引 言

隨著航空事業(yè)的迅猛發(fā)展，毫米波高頻段雷達(dá)和通信系統(tǒng)的需求量日益增大[1-3]，毫米波處于微波和紅外之間，與紅外相比，毫米波更能適應(yīng)戰(zhàn)場復(fù)雜的環(huán)境和惡劣的氣候條件[4]；與微波相比，毫米波目標(biāo)探測有著更高的精度，因此，在精確制導(dǎo)領(lǐng)域有著非常重要的應(yīng)用價(jià)值.天線作為雷達(dá)制導(dǎo)的重要組成部分之一，會(huì)直接影響整個(gè)系統(tǒng)的性能.如何在國內(nèi)現(xiàn)有工藝及加工條件下制造出性能優(yōu)良的W波段天線，從而充分利用W波段的優(yōu)勢已成為當(dāng)今的研究熱點(diǎn).國內(nèi)外已經(jīng)成功研制了工作在W波段的卡塞格倫天線和波導(dǎo)縫隙天線[5-6]，因?yàn)樗鼈兙哂性鲆娲?、效率高等特點(diǎn).但是卡塞格倫天線為反射面天線結(jié)構(gòu)，會(huì)占用大量的空間，而波導(dǎo)縫隙天線雖然具有低剖面、結(jié)構(gòu)緊湊等特點(diǎn)，但由于毫米波尤其是W波段波導(dǎo)尺寸較小，對(duì)加工精度要求很高，加工微小的誤差會(huì)對(duì)天線性能造成很大的影響，制作難度非常大[7].微帶天線以其體積小、重量輕、成本低、易于與有源電路集成等優(yōu)點(diǎn)而得到廣泛應(yīng)用[8-9].而國內(nèi)利用印制板工藝亦可保證其加工精度，將微帶天線利用于W波段能大大節(jié)省空間，降低生產(chǎn)成本，降低制作難度.

圓極化微帶天線相對(duì)于線極化天線具有顯著的優(yōu)點(diǎn)[10-11]，因?yàn)閳A極化天線能接收到任意極化的來波，并且其輻射出去的圓極化波也可以由任意極化的天線接收.因此圓極化天線具有較強(qiáng)的電子偵察和抗干擾能力，具有廣泛的應(yīng)用.

1 天線圓極化激勵(lì)原理分析

1.1 天線單元圓極化激勵(lì)原理分析

根據(jù)微帶天線的腔模理論，其TM01模和TM10模在天線面法向形成相互垂直的電場分量.使此二分量大小相等、相位相差90°，便可產(chǎn)生圓極化輻射.設(shè)貼片尺寸為a×b，則TM01模輻射電場

(1)

TM10模的輻射電場為

(2)

選擇a≈b，則k01≈k10，于是當(dāng)選擇頻率使k接近于k01≈k10時(shí)，兩種模式同時(shí)被激勵(lì)，稱為簡并模.此時(shí)，只需滿足k-k10比k-k01超前或滯后π/2即可輻射圓極化波.

天線的加工精度和損耗也是設(shè)計(jì)微帶天線必須要考慮的問題[12].選擇合適介電常數(shù)和厚度的介質(zhì)對(duì)W波段的實(shí)現(xiàn)至關(guān)重要.介電常數(shù)大的介質(zhì)，其貼片尺寸小，加工精度不易保證；而對(duì)于介電常數(shù)一定的介質(zhì)，越厚損耗越大.因此，對(duì)介質(zhì)的選取應(yīng)該越薄、介電常數(shù)越小越好.本天線形式選用厚度為0.127 mm，εr=2.2的介質(zhì).

1.2 圓極化陣列排布分析

對(duì)于陣列天線單元間距的選擇主要從兩個(gè)方面考慮：既要使單元的個(gè)數(shù)盡可能多從而提高口徑的利用率和天線的增益，同時(shí)也要考慮互耦的影響.

按照格林函數(shù)法分析四元陣的結(jié)果表明：當(dāng)單元間距d=0.8λ0時(shí)能獲得最大方向系數(shù)，而當(dāng)d=0.75λ0時(shí)能獲得最大增益.互耦的影響可通過適當(dāng)選取單元間距d來處理.由于W波段波長較短，為了便于各貼片單元間功分網(wǎng)絡(luò)的排布，單元間距不宜過小.綜合上述各方面考慮，選取H面單元間距d=0.8λ0，E面單元間距d=0.8λ0.

對(duì)于圓極化陣列天線，不僅要考慮圓極化的軸比及駐波帶寬，還要考慮天線功分網(wǎng)絡(luò)的排布以及損耗.圓極化天線饋電方式也有多種形式[13-15]，為了確定陣列的排布形式，可對(duì)單元間反相饋電、同相饋電以及相位差90°旋轉(zhuǎn)饋電做具體的分析.

(a) 單元間反相饋電 (b) 單元間同相饋電

(c) 單元間90°旋轉(zhuǎn)饋電圖1 天線陣饋電方式

2×2子陣設(shè)計(jì)方法通常有如圖1(a)、(b)、(c)所示，圖1(a)為單元間等幅反相饋電，圖1(b)為等幅同相饋電，圖1(c)單元間90°旋轉(zhuǎn)饋電.其中，每個(gè)貼片單元為在邊射方向上每個(gè)單元的輻射場都可以分解為兩個(gè)極化正交且相移90°的場，圖1(a)、(b)所示饋電結(jié)構(gòu)四個(gè)單元等幅反相或同相饋電，在邊射方向上的輻射場仍然可以分解成四個(gè)相位相同的相移是90°的圓極化場，所以在邊射方向上的輻射場仍然是圓極化場.圖1(c)的等幅90°相差饋電結(jié)構(gòu)，四單元的饋電相位分別為0°、90°、180°和270°，振幅都相同.饋電點(diǎn)的位置要正確選擇，以使180°和270°的單元分別與0°和90°的單元輻射同相的相同極化分量，這樣，它們在xoz面總輻射場可以表示為

Exz=E1ej90°ejk0dxsin θ+E2ej0°e-jk0dxsin θ

+E3ej90°e-jk0dxsin θ+E4ej0°ejk0dxsinθ

=(E1ej90°+E4ej0°)ejk0dxsin θ+(E2ej0°

+E3ej90°)e-jk0dxsin θ.

(3)

假設(shè)單元為左旋圓極化

(4)

將式(4)代入式(3)得

(5)

當(dāng)在xoz面上偏離邊射方向(θ=0)時(shí)，1、2單元因波程差所引入的輻射場相移正好與3、4單元的波程差相移相反，其效應(yīng)相互抵消，改進(jìn)了軸比特性.

將三種饋電結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真對(duì)比如圖2所示，亦可觀察到利用旋轉(zhuǎn)饋電能改善其軸比特性.

圖2 不同饋電方式軸比仿真對(duì)比

雖然根據(jù)仿真結(jié)果利用旋轉(zhuǎn)饋電，軸比效果有所改善，但是要求其饋電端口相位均相差90°，其饋電網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)復(fù)雜，對(duì)于W波段來說，復(fù)雜的饋電網(wǎng)絡(luò)將導(dǎo)致?lián)p耗增大，饋線間的耦合量也會(huì)增大，這些因素將對(duì)此波段的天線性能產(chǎn)生重大的影響.單元間反相饋電由于需要在饋電端口引入180°的相位差，而為了抑制柵瓣的出現(xiàn)W波段兩貼片間距不宜過大，兩貼片間距限制了微帶線180°的相位差的實(shí)現(xiàn)，單元間反相饋電也不利于W波段微帶天線的實(shí)現(xiàn).根據(jù)以上分析可得知，最理想的陣列擺布形式為單元間同相饋電.

2 天線設(shè)計(jì)與結(jié)果分析

2.1 天線單元設(shè)計(jì)

根據(jù)上述分析設(shè)計(jì)圓極化天線單元，并對(duì)單元進(jìn)行仿真優(yōu)化得到下列結(jié)果.

天線單元形式如圖3所示.

圖3 圓極化天線單元形式

由仿真結(jié)果可知，中心頻率94 GHz時(shí)，駐波小于1.3，駐波小于2的相對(duì)帶寬能達(dá)到9%，單元左旋圓極化增益為7.4 dB，其軸比為1.5 dB.

2.2 波導(dǎo)-微帶過渡結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

天線饋電方式可考慮采用波導(dǎo)-微帶轉(zhuǎn)換饋電.對(duì)于W波段天線，相比于同軸-微帶過渡，波導(dǎo)-微帶過渡結(jié)構(gòu)損耗小，即有利于天線的加工，又有利于天線的測試.傳統(tǒng)的微帶-波導(dǎo)過渡將微帶線深入波導(dǎo)側(cè)壁，微帶線相當(dāng)于探針在波導(dǎo)內(nèi)部激勵(lì)TE10波，從而實(shí)現(xiàn)良好的過渡.這種結(jié)構(gòu)雖然比較成熟，但是需要引入四分之一波長金屬短路壁，相當(dāng)于在微帶線上方引入微小的“金屬帽”，這在加工精度上增加了難度.在波導(dǎo)口放置金屬貼片，通過縫隙使波導(dǎo)與微帶線之間產(chǎn)生耦合亦可以實(shí)現(xiàn)波導(dǎo)到微帶線的過渡[16]，這種方法可避免金屬帽的出現(xiàn)，使過渡結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與加工更加簡單方便.

波導(dǎo)-微帶過渡結(jié)構(gòu)如圖4所示.

(a) 過渡結(jié)構(gòu)正面 (b)過渡結(jié)構(gòu)背面圖4 波導(dǎo)-微帶過渡結(jié)構(gòu)

圖5為此過渡結(jié)構(gòu)S參數(shù)曲線，中心頻點(diǎn)損耗為0.5 dB，駐波小于1.1，能實(shí)現(xiàn)良好的波導(dǎo)-微帶過渡.

圖5 過渡結(jié)構(gòu)仿真結(jié)果

2.3 圓極化微帶陣列天線設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)

以2×2單元結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，將其擴(kuò)展成8×8陣列，引入波導(dǎo)-微帶過渡結(jié)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)圓極化微帶陣列天線.圖6為此天線實(shí)物圖.

圖6 陣列天線實(shí)物圖

對(duì)該天線進(jìn)行測試，結(jié)果如圖7所示.此W波段圓極化陣列天線實(shí)測結(jié)果回波損耗優(yōu)于-15dB的相對(duì)帶寬為4.3%，具有良好的駐波特性.比較仿真與實(shí)測結(jié)果后發(fā)現(xiàn)，實(shí)測天線軸比與仿真結(jié)果吻合較好，中心頻點(diǎn)處軸比小于3 dB的波束寬度為11°有著較好的圓極化特性.

天線方向圖Phi=90°一維具有很好的副瓣特性，但是在Phi=0°副瓣電平較高，這是由于天線的饋電結(jié)構(gòu)的不對(duì)稱引起電流分布不均勻，從而導(dǎo)致天線副瓣電平在這一維較高.

表1列出了天線在不同頻率的仿真與實(shí)測增益，比較可以發(fā)現(xiàn)，天線實(shí)測增益比仿真低一些.這主要由兩個(gè)因素引起：1)波導(dǎo)-微帶過渡結(jié)構(gòu)的加工誤差導(dǎo)致過渡結(jié)構(gòu)的損耗比仿真大；2)W波段天線的波束寬度較窄，造成測試中最大波束指向與標(biāo)準(zhǔn)喇叭不能準(zhǔn)確對(duì)準(zhǔn)所造成的測試誤差.綜上所述，天線具有較好的圓極化輻射特性，與仿真結(jié)果較為一致.

(a) 天線回波損耗

(b) 軸比仿真與實(shí)例

(c) 方向圖實(shí)測圖7 微帶陣列實(shí)測結(jié)果

表1 陣列天線增益

3 結(jié) 論

通過分析和仿真了W波段圓極化微帶陣列天線的不同饋電形式，確定了陣列天線的單元形式和組陣方式，對(duì)陣列進(jìn)行加工測試，回波損耗優(yōu)于-15 dB的相對(duì)帶寬達(dá)到4.3%.最高增益可以達(dá)到20.6 dB，軸比優(yōu)于3 dB的波瓣寬度為11°,具有良好的圓極化輻射特性.在導(dǎo)彈、雷達(dá)等航空航天領(lǐng)域，具有廣泛的應(yīng)用前景.

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