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(中國船舶重工集團有限公司第七二三研究所 江蘇揚州 225001)

0 引言

微帶天線因為其重量輕、剖面薄、造價低、易于共形以及很方便與有源電路集成的優(yōu)點，越來越受到廣大天線工作者的青睞[1]。隨著對微帶天線廣泛深入的研究，微帶天線已在天線的寬頻帶、多頻工作、小型化、提高增益等方面取得了眾多的成果。傳統(tǒng)的微帶天線有帶寬窄的缺點，但經(jīng)過多年天線研究者的努力，這一缺陷已得到有效改善，對于單貼片最大實現(xiàn)超過50%的帶寬[2]。

在天線陣列環(huán)境中，由于各陣元間存在能量上的相互耦合，對天線陣的性能產(chǎn)生了多方面的消極影響。在耦合饋電的微帶天線陣列中，影響天線效率的互耦主要來源于兩部分：一部分是某天線陣元的饋電終端耦合到其余陣元的饋電口的內(nèi)部互耦；另一部分就是表面波。一方面對耦合饋電的饋電終端來講，能量不能全部通過耦合結(jié)構(gòu)耦合至天線單元，有一部分能量通過饋電層的介質(zhì)耦合至其余單元的饋電口，使各天線單元幅相誤差嚴(yán)重偏離設(shè)計值；另一方面雖然可以通過合理選擇介質(zhì)厚度和介電常數(shù)抑制表面波，但由于表面波的最低次TM模的截止頻率沒有下限，仍然有一部分能量沿著介質(zhì)表面?zhèn)鞑ィ瑥亩箚蝹€天線單元輻射效率降低。內(nèi)部互耦和表面波都會引起微帶天線效率降低，造成天線增益下降。

針對Ka波段微帶天線效率不高的問題，本文提出了一種將饋電層各個饋電終端隔離以及輻射貼片的介質(zhì)沿E面斷開的方法，使得陣列天線的互耦得到很好的抑制，Ka波段微帶陣列天線的效率進一步提高。

1 天線單元設(shè)計

直接饋電微帶天線的工作帶寬相對較窄，在某些工作環(huán)境下，需要進一步展寬帶寬，則需要在結(jié)構(gòu)上進行改變，文獻[3]提到了一些改進的方法，本項目采用耦合饋電的方式來實現(xiàn)帶寬的展寬。

文獻[6]表明微帶天線介質(zhì)厚度主要依據(jù)最低次TE型表面波的截止頻率進行選擇，根據(jù)TE型表面波的截止頻率與介電常數(shù)和介質(zhì)厚度關(guān)系為

(1)

選擇該天線的介質(zhì)厚度為0.254mm，介電常數(shù)為2.3，可計算得到，最低次的表面波在25.9GHz頻率上才能被激勵起來。

天線單元為六層結(jié)構(gòu)，從上至下分別為：輻射貼片、輻射層介質(zhì)、接地層、饋電層介質(zhì)、信號層、饋電層介質(zhì)、接地層，每層介質(zhì)厚度為0.254mm，考慮微帶多層加工粘接膜的厚度以及每層金屬厚度，天線單元總厚度為0.787mm。依據(jù)天線單元所占面積建立單元周期邊界仿真模型，驗證陣列環(huán)境中的天線性能，如圖1所示。

圖1 陣列中單元駐波

2 陣列設(shè)計

以設(shè)計完成的天線單元構(gòu)建1個4×4微帶陣列，單元間距為8.1mm×8.1mm。微帶陣列采用同軸饋電，通過饋電網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)對陣列的各個天線單元進行等幅同相激勵，圖2(a)和圖2(b)為未采取互耦抑制措施4×4微帶陣列的仿真模型及仿真方向圖，表1為天線仿真方向性系數(shù)。

圖2 常規(guī)4×4微帶陣列仿真模型及方向圖

表1 4×4陣列仿真方向性系數(shù)

從仿真結(jié)果可以看出天線口徑效率極低、頻帶內(nèi)起伏很大，嚴(yán)重偏離設(shè)計預(yù)期。項目組通過電磁場仿真軟件分析了饋電介質(zhì)和輻射層介質(zhì)中的電場分布，如圖3所示，從圖中可以明顯看到饋電層互耦很嚴(yán)重，在介質(zhì)和空氣分界面上有表面波傳播，這兩種互耦嚴(yán)重影響了天線的口徑效率。

圖3 饋電介質(zhì)和輻射層介質(zhì)中的電場分布

針對出現(xiàn)的問題，提出了將饋電層各個饋電終端隔離以及輻射貼片的介質(zhì)沿E面斷開的互耦抑制措施。建立了一個改進后的4×4微帶陣列仿真模型如圖4(a)所示，圖4(b)為改進后的天線方向圖。改進后的電場分布如圖5所示。

圖4 改進后的4×4微帶陣列仿真數(shù)據(jù)

圖5 改進后饋電介質(zhì)和輻射層介質(zhì)中的電場分布

從圖3和圖5對比可以看出，采用饋電層終端隔離措施后，各單元之間內(nèi)部耦合顯著減小，單元激勵更加均勻；采用輻射貼片的介質(zhì)沿E面斷開的措施后，天線單元之間的表面波耦合也得到了一定程度的降低。

表2為改進后天線陣列的仿真方向性系數(shù)。從表2中可以看出，改進后天線陣列的效率較常規(guī)陣列來至少提高23%。

表2 改進后4×4陣列仿真方向性系數(shù)

3 樣件試制

為了驗證改進措施的有效性，項目組在完成微帶陣列設(shè)計和仿真的基礎(chǔ)上加工了改進后的4個4×4微帶陣列進行了測試。圖6為改進后加工的微帶陣列實驗件，圖7為改進后陣列測試方向圖。表3為實測天線陣列效率和仿真結(jié)果對比。

圖6 改進后4×4微帶陣列實驗件

圖7 改進后陣列測試方向圖

表3 仿真和實測天線效率對比

從實測結(jié)果可以看出，采取改進措施后天線效率明顯提升，進一步驗證了采取措施的有效性。

4 結(jié)束語

本文針對微帶陣列天線效率低下的問題，通過理論和電磁仿真分析了根本原因，并提出了一種將饋電層各個饋電終端隔離以及輻射貼片的介質(zhì)沿E面斷開的方法，抑制了微帶陣列天線單元間的互耦，提高了天線口徑效率。數(shù)據(jù)和實測結(jié)果均證實了該技術(shù)的可行性和有效性，能夠?qū)崿F(xiàn)高效率的微帶陣列天線，具有較強的參考價值。