汪 濤,劉士興,黃正峰,李 祥

(合肥工業(yè)大學(xué) 電子科學(xué)與應(yīng)用物理學(xué)院,安徽 合肥 230009)

平面相控陣天線的單元設(shè)計(jì)與分析

汪 濤,劉士興,黃正峰,李 祥

(合肥工業(yè)大學(xué) 電子科學(xué)與應(yīng)用物理學(xué)院,安徽 合肥 230009)

基于工作頻率在1.79 GHz的矩形微帶天線,利用FDTD進(jìn)行建模和仿真,設(shè)計(jì)出幾種平面陣列天線。針對三角陣和矩形陣,分別計(jì)算了它們的遠(yuǎn)場輻射方向圖,討論了陣列天線單元分布的影響，對比分析了微帶陣列天線的主要性能參數(shù),計(jì)算了前后比和波瓣寬度,并得出了結(jié)論。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,和三角陣相比,使用4元矩形陣能提供較高的增益和較低的柵瓣電平。

相控陣天線;平面陣列天線;遠(yuǎn)場輻射方向圖;互耦

相控陣天線具有高增益、高功率、低旁瓣、波束掃描及波束控制等特性,因此在現(xiàn)代雷達(dá)、飛行器、衛(wèi)星、射電天文學(xué)、通信、遙測、遙控等領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用[1-2]。相控陣天線由許多固定的天線單元組成,這些單元相干饋電,并在每個(gè)單元上用可變相位或時(shí)延控制使波束掃描到空間給定的角度上[3]。因此,研究相控陣天線單元的輻射特性對相控陣天線的分析與綜合具有重要意義。機(jī)載平面相控陣天線是目前的飛行器及下一代飛行器中的重要設(shè)備,其作用相當(dāng)于飛行器的“眼睛”,其作用距離和掃描角度類似于人眼的“視距”和“分辨力”。平面相控陣天線由于要求和飛行器表面共形,往往采用微帶天線或波導(dǎo)縫隙天線結(jié)構(gòu),由于微帶天線具有體積小、重量輕、易與有源電路集成、容易同安裝表面共形等優(yōu)點(diǎn)[4],本文將采用由矩形微帶天線組建平面陣列天線。

根據(jù)電磁波的干涉與疊加原理,以及方向圖乘積定理,陣列天線的輻射特性取決于陣元結(jié)構(gòu)、陣元排列、陣元的激勵(lì)和饋電方式等[5]。由于天線的方向圖函數(shù)是天線口徑分布的傅里葉變換,如果天線的方向圖是2個(gè)簡單方向圖的乘積,則該天線的口徑分布就是產(chǎn)生2個(gè)簡單方向圖的口徑分布的卷積。因此,一個(gè)矩形平面陣可以視為一個(gè)沿x軸排列的線陣和一個(gè)沿著y軸排列的線陣的卷積[6]。同理,如果以三角陣或矩形陣作為相控陣天線的單元,那么單元的輻射特性將制約著大型相控陣天線的性能。事實(shí)上,很多相控陣天線都是以小的陣列天線單元為基礎(chǔ)的[7]。矩形柵格排列是面陣最常用的一種排列方式,而在大型相控陣中為了節(jié)省單元和單元饋電系統(tǒng),常采用三角形柵格陣列。為探討和比較三角陣與矩形陣的優(yōu)劣,本文利用時(shí)域有限差分法(finite difference time domain,FDTD)對比分析了這兩種陣列單元的輻射特性。基于工作頻率為1.79 GHz的矩形微帶天線,設(shè)計(jì)了2元平面陣以及3元三角陣和4元矩形陣,利用FDTD分別計(jì)算了它們的遠(yuǎn)場輻射方向圖,進(jìn)一步討論了陣元間互耦的影響。

1 陣列天線單元的設(shè)計(jì)與仿真

陣列天線中,單元的性能直接影響整個(gè)陣列方向圖的性能,單元的性能好,則經(jīng)過饋電網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生的陣列耦合后主瓣尖銳而副瓣較低,同樣的功率下天線的輻射距離較遠(yuǎn)。本文的單元為矩形微帶天線,結(jié)構(gòu)如圖1所示,圖中所示的天線參數(shù):寬W=26.59 mm,長L=19.62 mm,介質(zhì)基板厚度h=1.33 mm,介質(zhì)基板介電常數(shù)εr=9.6[8-10],特性阻抗Z0=50 Ω的微帶饋線寬度為1.54 mm。用FDTD對該微帶天線進(jìn)行分析計(jì)算,得到的仿真結(jié)果如圖2和圖3所示。圖2為該天線的回波損耗曲線,圖3為該天線的E面遠(yuǎn)場輻射方向圖。該天線的工作頻率在1.79 GHz,在1～5 GHz范圍內(nèi),-10 dB帶寬為15 MHz,輸入阻抗為50 Ω，主瓣寬度約為180°左右。

圖1 矩形微帶天線的結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 矩形微帶天線的回波損耗曲線

圖3 矩形微帶天線的E面遠(yuǎn)場輻射方向圖

2 平面陣列天線的設(shè)計(jì)方法與仿真結(jié)果

采用上述矩形微帶天線單元組成的二元平面陣列天線,陣元沿y軸均勻排列,y軸方向相鄰陣元間的距離為d0=40 mm,其陣元在x-y平面的排列如圖4(b)所示,陣元的激勵(lì)采用等幅同向電流激勵(lì),由50 Ω的匹配微帶饋線對各個(gè)單元進(jìn)行自由激勵(lì)[11-12],天線單元的饋線之間的互耦可忽略不計(jì)。使用FDTD仿真計(jì)算得到的三維遠(yuǎn)場輻射方向圖、二維遠(yuǎn)場輻射方向圖分別如圖5(b)、圖6和圖7所示。

采用上述矩形微帶天線單元組成的3元平面三角陣陣列天線,陣元沿x軸和y軸均勻排列,y軸方向相鄰陣元間的距離為d0=40 mm,x軸方向相鄰陣元間的距離為d1=20 mm,其陣元在x-y平面的排列如圖4(c)所示,陣元的激勵(lì)采用等幅同向電流激勵(lì),由50 Ω的匹配微帶饋線對各個(gè)單元進(jìn)行自由激勵(lì)。使用FDTD仿真計(jì)算得到的三維遠(yuǎn)場輻射方向圖和二維遠(yuǎn)場輻射方向圖分別如圖5(c)、圖6和圖7所示。

采用上述矩形微帶天線單元組成的4元平面矩形陣陣列天線,陣元沿x軸和y軸均勻排列,y軸方向相鄰陣元間的距離為d0=40 mm,x軸方向相鄰陣元間的距離為d1=20 mm,其陣元在x-y平面的排列如圖4(d)所示,陣元的激勵(lì)采用等幅同向電流激勵(lì),由50 Ω的匹配微帶饋線對各個(gè)單元進(jìn)行自由激勵(lì)。使用FDTD仿真計(jì)算得到的三維遠(yuǎn)場輻射方向圖和二維遠(yuǎn)場輻射方向圖分別如圖5(d)、圖6和圖7所示。

由于各個(gè)天線單元采用單獨(dú)饋電,且對各個(gè)單元加入完全相同的激勵(lì)信號,此時(shí)各個(gè)天線單元將產(chǎn)生完全相同的輻射場。對比圖4、圖5、圖6和圖7可見,該仿真實(shí)驗(yàn)中陣列天線輻射特性的變化取決于陣元排列和陣元數(shù)目的增加。從圖6可見,4元矩形陣的E面遠(yuǎn)場輻射強(qiáng)度和H面遠(yuǎn)場輻射強(qiáng)度均比3元三角陣要大,而且矩形陣的波瓣寬度要比三角陣更窄。矩形陣的前后比為6.7,三角陣的前后比為2.6;矩形陣的波瓣寬度為212°,三角陣的波瓣寬度為268°。同時(shí),3元陣和2元陣的輻射特性相似,均遠(yuǎn)大于矩形微帶天線的輻射強(qiáng)度。依據(jù)平面陣列的卷積處理方法,對比圖5和圖6可見,陣元在y軸方向耦合的影響要強(qiáng)于陣元在x軸方向耦合的影響。從圖7中可見,三角陣和矩形陣的E面遠(yuǎn)場方向圖主瓣偏離了0°方向,分別為343°和352°。通過對比分析陣列天線的遠(yuǎn)場輻射方向圖和增益可知,依據(jù)方向圖乘積定理和平面陣列的卷積處理方法,在相同陣元等幅同相的陣列天線波束控制中,采用不同陣元數(shù)和不同空間排布的陣列天線,是天線設(shè)計(jì)與綜合的一種有效方法。

圖4 平面陣列天線的空間排列和FDTD建模圖

圖5 平面陣列天線的3維遠(yuǎn)場輻射方向圖

圖6 平面陣列天線在1.79 GHz的E面(V/m)和H面(A/m)遠(yuǎn)場輻射方向圖

圖7 極坐標(biāo)中平面陣列天線在1.79 GHz的E面遠(yuǎn)場輻射方向圖

3 結(jié)論

通過對三角陣和矩形陣相控陣天線單元的設(shè)計(jì),利用FDTD仿真和計(jì)算,可以得出各陣列天線的三維和二維遠(yuǎn)場輻射方向圖,結(jié)論如下:

(1) 矩形陣的增益和方向性比三角陣要好,其原因可以從方向圖乘積定理和平面陣列的卷積處理方法得到。

(2) 采用三角陣,其陣元數(shù)目與矩形陣相比將大大減少;

(3) 三角陣輻射特性將遠(yuǎn)比微帶天線單元的輻射要強(qiáng),約在20～30倍左右。相比直接以矩形微帶天線作為相控陣天線單元,采用三角陣或矩形陣作為平面相控陣天線的單元,將獲得更強(qiáng)的大型陣列輻射特性。分析表明,使用三角陣列天線和矩形陣列天線作為相控陣天線的單元,其性能要優(yōu)于直接使用矩形微帶天線作為相控陣天線的單元。同時(shí),由于陣列天線的主瓣寬度較大,副瓣寬度較小,因此,使用四元矩形平面陣列天線構(gòu)造機(jī)載平面相控陣天線,可獲得較大的作用距離和寬曠的掃描角度;而且副瓣寬度較小則提高了飛機(jī)抗偵查能力。

進(jìn)一步的研究中,將基于4元平面陣,構(gòu)建4×4相控平面陣天線,并使用微波網(wǎng)絡(luò)分析法和HFSS軟件精確設(shè)計(jì)其饋電網(wǎng)絡(luò)和輻射性能。

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Design and analysis of units for planar phased antenna arrays

Wang Tao,Liu Shixing,Huang Zhengfeng,Li Xiang

(School of Electronic Science and Applied Physics,Hefei University of Technology,Hefei 230009,China)

Based on a 1.79 GHz microstrip rectangle antenna,by using FDTD to model and simulate,the planar antenna arrays are designed. Focused on the triangular array and the rectangular array,the far field radiation patterns of these arrays are calculated and the influence of the distribution of antennas is discussed. The main performance parameters of microstrip antenna arrays are compared and discussed. The front-to-rear ratio and the main lobe width of the antenna arrays are calculated. The simulation results show that the rectangular array with four elements has higher antenna gain and lower grating lobes,compared with the triangular array.

phased array antenna;planar array antenna ;far radiation pattern;coupling

2014- 05- 27 修改日期：2014- 07- 25

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“容忍軟錯(cuò)誤的SoC芯片可靠性設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)研究”(61106038)；安徽高校省級自然科學(xué)研究重點(diǎn)項(xiàng)目(KJ2012Z316)；合肥工業(yè)大學(xué)校內(nèi)專項(xiàng)項(xiàng)目“用于無線局域網(wǎng)的天線陣設(shè)計(jì)與FDTD分析”(2012HGXJ0063)

汪濤(1981—),男,河南商城,在讀博士研究生，講師，研究方向?yàn)樘炀€與射頻集成電路。

劉士興(1970—),男,安徽合肥,博士,副教授，研究方向?yàn)闊o線與射頻集成電路.

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1002-4956(2015)1- 0075- 04