申強(qiáng)強(qiáng),汪雋瀟,楊 康

(中國船舶集團(tuán)有限公司第八研究院,南京 211153)

0 引 言

基于強(qiáng)耦合效應(yīng)的相控陣天線設(shè)計(jì)與傳統(tǒng)相控陣天線的設(shè)計(jì)有很大不同。在設(shè)計(jì)傳統(tǒng)相控陣天線時(shí),天線單元設(shè)想為理想的點(diǎn)源,相對(duì)獨(dú)立,為了減小天線單元之間產(chǎn)生的耦合效應(yīng),可能會(huì)采取增加天線單元間距、在金屬底板上開槽、使用EBG結(jié)構(gòu)等復(fù)雜措施,這些措施都增大了天線的設(shè)計(jì)難度及其最終的加工難度。而基于強(qiáng)耦合效應(yīng)的相控陣天線利用天線單元之間的耦合效應(yīng)拓展天線單元的帶寬,并在陣列寬角掃描時(shí)表現(xiàn)更好。在結(jié)構(gòu)尺寸上,由于天線單元之間的耦合可縮減天線單元的尺寸,因此天線的剖面高度得以降低。

1 原理及設(shè)計(jì)

天線單元采用一種平面形式的強(qiáng)耦合蝶形振子天線,圖1給出了一個(gè)單元周期內(nèi)天線單元的三維仿真模型,天線單元主要由蝶形振子、接地耦合貼片、反射板(含金屬支撐架)和微帶巴倫組成。蝶形振子通過微帶巴倫與同軸連接器連接,蝶形振子之間預(yù)留孔洞,微帶巴倫從孔洞中伸出,并與蝶形振子進(jìn)行焊接。為了實(shí)現(xiàn)低剖面的特性,在相鄰天線單元之間引入容性接地耦合貼片,引入的電容起到儲(chǔ)能電荷的作用,使陣元末端的電流不會(huì)趨于零。加上外接電容對(duì)于緊密耦合的偶極子陣列來說,耦合度的強(qiáng)弱直接與重疊或交疊部分緊密相關(guān),因而不同形式的耦合所能實(shí)現(xiàn)的帶寬也往往會(huì)有所不同。一般來說,陣元之間的容性耦合越強(qiáng),陣列天線所能實(shí)現(xiàn)的帶寬也越寬,然而耦合強(qiáng)度畢竟受限,對(duì)帶寬的展寬也有一定的限制,因此,通過合理調(diào)整相鄰單元之間的耦合強(qiáng)度可以展寬陣中天線單元的帶寬[1]。

(a)天線單元

在工作時(shí),偶極子天線兩個(gè)振子上的電流須保持180°的相位差,才能將能量很好地輻射出去。偶極子天線為一種平衡結(jié)構(gòu),而用于饋電的同軸連接器為非平衡結(jié)構(gòu),之間通過巴倫實(shí)現(xiàn)這種非平衡到平衡的轉(zhuǎn)換。微帶漸變線巴倫為一種常見的巴倫形式,能夠起到非平衡到平衡轉(zhuǎn)換和阻抗變換的作用[2]。這種巴倫結(jié)構(gòu)是在印制板兩面印刷兩條寬度不同的漸變微帶線,同軸連接器的內(nèi)導(dǎo)體與較窄的微帶線連接,外導(dǎo)體與另一邊的微帶線連接,這樣巴倫可將同軸連接器不平衡結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換為雙線的平衡結(jié)構(gòu)。

可以通過無限大陣中的天線單元仿真來優(yōu)化天線單元設(shè)計(jì)。在圖1(a)天線單元的4個(gè)側(cè)壁分別設(shè)置主從邊界條件,模擬無限大陣列中天線單元周圍電磁環(huán)境的周期性變化,在距離天線單元的頂部λL/2處,設(shè)置輻射邊界條件或PML邊界條件,吸收天線單元輻射出的電磁波。天線參數(shù)如表1所示,其中D為單元間距,W為天線子陣寬度,H為天線單元高度。

表1 天線尺寸表

依照蝶形振子方向進(jìn)行切割,尺寸為DE×DH,蝶形振子之間的耦合貼片被分為兩部分。天線單元印制板采用介電常數(shù)2.2的Duroid 5880,厚度2 mm。圖2給出了無限大陣中天線單元的駐波特性仿真結(jié)果,在要求的頻率范圍內(nèi),天線方位面±45°掃描情況下,天線單元有源駐波≤2.5。

圖2 無限大陣中天線單元有源駐波

2 陣列天線測試

依據(jù)以上仿真的天線單元加工一個(gè)8×8的天線子陣樣件,天線單元之間的間距為0.35λ0,天線子陣尺寸為2.8λ0×2.8λ0,如圖3所示。

圖3 天線子陣照片

天線單元的有源反射系數(shù)通常無法直接測量得到,應(yīng)先測量天線單元的無源反射系數(shù)和天線單元之間的傳輸系數(shù),最終將測得的數(shù)據(jù)進(jìn)行合成,最終得到天線單元的有源反射系數(shù)。在測試天線單元無源反射系數(shù)時(shí),其他天線單元須連接匹配負(fù)載;在測試天線單元之間的傳輸系數(shù)時(shí),其他天線單元也須連接匹配負(fù)載。有源反射系數(shù)可表示為

式中,an為第n個(gè)單元的幅度和相位;Smn為第m、n個(gè)單元之間的傳輸系數(shù)。

利用上式合成有源反射系數(shù),最終可以將天線單元有源反射系數(shù)轉(zhuǎn)化為天線單元有源駐波。在合成第m個(gè)單元的有源反射系數(shù)時(shí),利用了該單元的無源反射系數(shù)以及單元周圍的63個(gè)單元與m單元的傳輸系數(shù)。

圖4給出了中心單元在方位面掃描時(shí)的有源駐波,天線方位±45°掃描情況下,天線中心單元有源駐波≤3。

圖4 中心單元有源駐波

在微波暗室測試天線子陣,每一列天線單元通過一個(gè)1分8功分器合成,之后連接到一個(gè)6位數(shù)字移相器,最終通過控制每列天線的相位實(shí)現(xiàn)天線子陣方位面波束掃描控制。測試方向圖如圖5～圖7所示,天線子陣可實(shí)現(xiàn)方位±45°范圍內(nèi)的波束掃描。

(a)主極化 (b)水平極化 (c)垂直極化

(a)主極化 (b)水平極化 (c)垂直極化

(a)主極化 (b)水平極化 (c)垂直極化

為了同時(shí)接收水平極化和垂直極化信號(hào),天線設(shè)計(jì)為斜45°極化。但在波束掃描時(shí)可能出現(xiàn)極化扭轉(zhuǎn),造成水平極化分量與垂直極化分量相差較大。因此,測量該天線掃描情況下水平極化和垂直極化分量,結(jié)果如圖8所示,圖中3條曲線自上而下分別為天線子陣主極化、水平極化、垂直極化在方位±45°掃描下的增益,水平極化和垂直極化兩個(gè)極化分量差異小于3 dB。在方位±45°掃描下天線極化未出現(xiàn)較大極化扭轉(zhuǎn),保證對(duì)該范圍內(nèi)水平極化和垂直極化信號(hào)均具有良好的接收能力。

3 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了一種低剖面強(qiáng)耦合寬帶相控陣天線,該天線采用斜45°極化,兼顧了水平極化和垂直極化信號(hào)的接收需求。經(jīng)過仿真與測試對(duì)比,天線在方位±45°掃描情況下有源駐波仍小于3,天線具有方位±45°范圍內(nèi)波束掃描功能,并且極化特性良好,水平和垂直兩個(gè)極化分量差異小于3 dB,滿足工程需求。