一种宽波束相控阵天线单元
郭琳1,朱小三1,2,邹永庆1
(1.中国电子科技集团公司第三十八研究所,安徽合肥230031;
2.安徽大学电子科学与技术学院,安徽合肥230039)
摘要:对于宽角扫描相控阵天线,天线单元的宽波束特性是保证相控阵天线宽角扫描的前提条件。该文介绍了一种在E面和H面都具有宽波束特性的U形贴片相控阵天线单元。用腔模理论分析了该天线单元,并用HF SS8.0仿真软件对该天线单元进行了有效的优化。对加工的天线单元作了测试,结果显示测试值与仿真值吻合较好。实测波束宽度在E面和H面都达到110b,验证了该天线单元的宽波束特性,说明其适用于二维宽角扫描相控阵天线。
关键词:天线单元;宽波束;相控阵;宽角扫描;U形贴片
中图分类号:T N821+.8文献标识码:A文章编号:1672-2337(2007)02-0157-04
A Wide-Beam Antenna Element for Phased-Array
GUO L in1,ZH U Xiao-san1,2,ZOU Yong-qing1
(1.N o.38Re se arch I nstitute of China Electronic T ech nolog y Corp or ation,H ef ei230031,China;
2.I nstitute of Electronic S cience and T ech nolog y,Anh ui Univ ersity,H ef ei230039,China)
Abstract:F or the phased ar ray antennas,w ide-beam o f antenna element is the precondition fo r wide-ang le scanning.A U-shape patch element fo r phased ar ray antennas w ith w ide-beam bo th in E-and H-planes is presented in this pa per.T he element is analy zed by cavit y mo del theo ry,o pt imized by H FSS8.0simula-ting softw ar e,fabricated and test ed.T he measured r esults indicated that the element has110b beam width bo th in E-and H-planes,and the measured r esults ar e ag reed well w ith simulatio n ones.T his pro ves that the element can be used for phased ar ray antennas.
Key words:ant enna element;w ide-beam;phased ar ray antenna;w ide-ang le scanning;U-shape patch
1引言
相控阵天线技术以其独特的无惯性波束扫描、方便快捷的波束调度和能量管理等优势在雷达和通信等方面得到了广泛的应用,而天线单元作为相控阵天线的重要组成部分,其性能直接影响相控阵天线的性能。天线单元的选取不仅要满足工作频段、带宽、耐功率和极化等要求,而且在阵中的方向图应满足最大扫描角的要求[1]。
通常使用的天线单元有终端开口的波导(或喇叭),接地平面上的偶极子天线、微带天线和缝隙天线等[2]。其中,微带天线因具有体积小、重量轻、剖面低、馈电方式灵活、花费少、易与飞行器共形等优点而深受人们的青睐。尤其是它的低剖面、易与飞行器共形的特点,可使载体具有优良的气动力学特性,所以在飞行器上选用这种天线非常有利。但是一般的微带天线单元带宽窄,并且仅在单个的E面或H面具有较宽的方向图[3-4],并不能满足在方位和俯仰上都进行宽角扫描的二维相控阵天线的要求。本文提出的宽波束微带相控阵单元其驻波带宽大于35%(VSWR<1.5),在E 面和H面都有很好的宽波束特性,波束宽度均达110b,能满足二维相控阵宽角扫描特性的要求,而且天线为平面结构,易于加工,易于与载体共形,用途广泛[5-6]。
2天线单元的设计
对于微带天线,其带宽为
第2期2007年4月
雷达科学与技术
Radar Science and Technology
Vo l.5N o.2
A pril2007
收稿日期:2006-04-13;修回日期:2006-09-10
B W =
f 0
Q =VS WR -1Q VS WR
(1)
由式(1)可知,当天线的中心频率处电压驻波比一
定时,减小天线品质因数是展宽天线带宽的唯一途径。而天线品质因数Q 为
Q U
120K 0K r E r (1h -3.4K 0
E r -1)
+
1
P h K 0
120R c
+tan D -1
(2)
式中,
K r =
145K 2
0a
b
, a <0.35K 0160K 01b -1
30ab P 2, 0.35K 0b
, 2K 0(3) 由式(1)、(2)、(3)可以得出:微带天线的带宽BW 随着贴片长宽比a/b 、
基板厚度h 、介质损耗正切tan D 的增大而增大,随着介电常数E r 的增大
而减小。
图1给出了宽波束天线单元的结构示意。该单元贴片由一个矩形馈电贴片和一个等臂U 形寄生贴片组成,U 形贴片与接地板之间由一矩形贴片短接。辐射贴片与接地板之间是一个高度h 的
空气腔,在U 形贴片两臂端和馈电矩形贴片一端用聚四氟乙烯(相对介电常数为2.2)介质销钉加以固定。辐射贴片与U 形贴片两臂间的缝隙均为s 1,与U 槽底缝隙为s 2。天线采用508同轴馈电,贴片厚度均为0.02K 。
图1 天线结构示意图
3 理论分析
从天线单元的结构可以看出,U 形贴片与接地板和介质基板构成的空间与一般的脊波导相比
只有边界条件的不同,可视为一个U 形脊波导腔,
因此可用腔模理论及模匹配理论对其进行分析。现对U 型结构建立坐标如图2所示。
图2 U 型贴片结构
贴片上下两壁为电壁,y =y 0+b 处由金属片
与地板短路相接,其他三面都是磁壁。U 形波导腔右侧边界条件如下:
z =0,h 时,
5E z
5z
=0y =y 0时,H x =0,
5H y
5y
=0y =y 1,05H y
5y =0y =y 0+b 时,E z =0
x =0,a/2时,5H x
5x
=0,H y =0
x =x 1,y 05x
=0,H y =0
(4)
由于馈源电流ÅJ =e ^z J z ,且不随z 坐标改变,所以腔内只有电赫兹矢量,它可表示成如下形式[5]:
Å0e
=g(r →
T )U (z )e
^z (5)
式中,g(r →
T )是关于横行变量x 、y 的标量函数,U (z )是关于纵向变量z 的标量函数,它们满足波
动方程:
à2g(r →T )+k 2T g (r →
T )=0
(6)U d (z )+C 2
U (z )=0(7)
这里k T 是U 形波导的一个特征值,而C 是传输常数,满足:
C =k 20-k 2
T ,k 0>k T
C =-j k 2
T
-k 20
,k 0(8)
矢量电位ÊA 和标量磁位5与磁赫兹矢量的关系如下:
E L 05Å
0e
5t
-à#Å0
e
(9)
158
雷达科学与技术
第5卷第2期
