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HFSS8.0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:TN821+.8 文献标识码:A 文章编号:1672-2337(2007)02-0157-04AWide-BeamAntennaElementforPhased-ArrayGUOLin1,ZHUXiao-san1,2,ZOUYong-qing1(1.No.38ResearchInstituteofChinaElectronicTechnologyCorporation,Hefei230031,China;2.InstituteofElectronicScienceandTechnology,AnhuiUniversity,Hefei230039,China) Abstract: Forthephasedarrayantennas,wide-beamofantennaelementisthepreconditionforwide-anglescanning.AU-shapepatchelementforphasedarrayantennaswithwide-beambothinE-andH-planesispresentedinthispaper.Theelementisanalyzedbycavitymodeltheory,optimizedbyHFSS8.0simula-tingsoftware,fabricatedandtested.Themeasuredresultsindicatedthattheelementhas110bbeamwidthbothinE-andH-planes,andthemeasuredresultsareagreedwellwithsimulationones.Thisprovesthattheelementcanbeusedforphasedarrayantennas.Keywords: antennaelement;wide-beam;phasedarrayantenna;wide-anglescanning;U-shapepatch
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RadarScienceandTechnology Vol.5No.2April2007收稿日期:2006-04-13;修回日期:2006-09-10BW=f0Q=VSWR-1QVSWR(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QU120K0KrEr(1h-3.4K0Er-1)+1PhK0120Rc+tanD-1 (2)
式中,
Kr=145K20ab, a<0.35K0160K01b-130abP2, 0.35K0 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tanD的增大而增大,随着介电常数Er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s1,与U槽底缝隙为s2。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=y0+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,5Ez5z=0y=y0时,Hx=0,5Hy5y=0y=y1,0 由于馈源电流ÅJ=e^zJz,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)+k2Tg(r→T)=0(6)Ud(z)+C2U(z)=0(7)这里kT是U形波导的一个特征值,而C是传输常数,满足:C=k20-k2T,k0>kTC=-jk2T-k20,k0 g(x,y)=E]n=0G1ncoskx1nxcos(2n+1)P2(y0+b-y1)* (y-y1),(0[x[x1)E]m=0G2mcoskx2m(x-a/2)*(12) cos(2m+1)P2b(y-y0),(x1[x[a/2)进而得到U形腔的内场分布为ÅE(r→T)=Ez(x,y)e^z=k2Tg(x,y)e^z(13)ÏH(r→T)=Hx(x,y)e^x+Hy(x,y)e^y= jXEàg(x,y)@e^z(14) 由U形腔的内场分布可得到U形贴片的辐射场,其中U型贴片与矩形贴片间的辐射缝的等效磁流为ÏMs=Eze^z@n^(15)式中,n^是辐射缝所在磁壁的法向单位矢量。计入接地板引起的ÏMs正镜像,则其在远区场的电矢位可由式(16)求得:ÅF=14PQvÏMse-jk0rrdv(16)这样,远区辐射场为ÅE=-à@ÅFÏH=jXLà@ÅE(17) 本天线单元是在微带贴片上开U形缝隙,其在结构上的特点是非常简单,可以获得较小的天线尺寸。这种结构的微带天线由于具有U形缝隙,缝隙边缘电流引入了附加谐振;同时,缝隙也引入了容抗,与探针的感抗相抵消,从而展宽了带宽[7-9]。U形贴片与接地板由矩形贴片短路相接,起反射器作用, 且压缩了寄生U形贴片的尺寸,起到展宽波束宽度的作用。U形缝隙使得天线在水平及垂直方向都有辐射,也起到了展宽波瓣宽度的作用。同时,我们利用单极天线在U方向的全向特性,使矩形馈电贴片与同轴馈电内导体构成顶端加载单极天线,进一步展宽了天线的波束宽度。4 仿真与实验结果 在对该天线单元分析后,我们设计制作了一个天线单元,并用AnsoftHFSS8.0仿真软件对其进行了优化,优化后的结构尺寸由表1给出。表1 天线单元的结构尺寸K结构尺寸尺寸数值L0.24L10.1L20.14L30.14L40.03L50.05s10.015h0.07结构尺寸尺寸数值W0.31W10.2W20.055W30.03W40.11W50.025s20.02 通过测试,验证了天线的宽频带、宽波束特性。天线实物见图3。天线测试结果示于图4和图5。 天线单元电压驻波比在Agilent8719ES矢量网络分析仪上测得,结果如图4所示。该天线单元可工作在2.15~3.5GHz频率范围内,具有很好的宽频带特性。天线单元方向图在室内远场测得,其实测值略优于仿真理论值。图5显示了该天线单元优越的宽波束特性。由于单元接地反射板过小,造成方向图背瓣很大,这在实际应用中是可以消除的。1592007年第2期郭琳:一种宽波束相控阵天线单元 图5天线单元的实测方向图 5 结论 本文提出了一个宽波束相控阵天线单元,用腔模理论对天线单元进行了分析,通过分析提出了对该天线单元带宽及波瓣宽度展宽的方法,并用AnsoftHFSS8.0仿真软件对其进行了仿真优化,给出了实验结果。该天线不仅具有很好的宽波束特性,且有着很宽的驻波带宽,与仿真理论结果有着很好的一致性。该天线单元在E面和H面的波瓣宽度都达到110b,驻波带宽实验值达到48%(VSWR<1.5),且天线是微带贴片形式,具有剖面低、加工工艺简单、一致性好等特点,可用于宽角扫描的二维相控阵中。 参考文献:[1]斯科尔尼克MI.雷达手册[M].王军,林强,米慈中,等译.北京:电子工业出版社,2003.[2]张光义.相控阵雷达系统[M].北京:国防工业出版社,1994.[3]钟顺时.微带天线理论与应用[M].西安:西安电子科技大学出版社,1991.[4]郭燕昌,钱继曾,黄富雄.相控阵和频率扫描天线原理[M].北京:国防工业出版社,1978.[5]GuoYX,LukKM,andLeeKF.AQuarter-WaveU-ShapedPatchAntennawithTwoUnequalArmsforWidebandandDualFrequencyOperation[J].IEEETransonAP,2002,50(8):1082-1087.[6]TongKF,LukKM,LeeKF,etal.ABroad-BandU-SlotRectangularPatchAntennaonaMicrowaveSubstrate[J].IEEETransonAntennasandPropaga-tion,2000,48(6):954-960.[7]DernerydAG.ATheoreticalInvestigationoftheRec-tangularMicro-StripAntennaElement[J].IEEETransonAntennasandPropagation,1978,26(4):532-535.[8]DearnleyRW,andBarelAlainRF.ABroad-BandTransmissionLineModelforaRectangularMicro-StripAntenna[J].IEEETransonAntennasandPropagation,1989,37(1):6-15.[9]PuesHugoF,VandeCapelleAR.AnImpedance-MatchingTechniqueforIncreasingtheBandwidthofMicrostripAntennas[J].IEEETransonAntennasandPropagation,1989,37(11):1345-1354.作者简介:郭 琳 男,1980年生于江西,2002年毕业于西安电子科技大学,现为中国电子科技集团公司第三十八研究所工程师,主要研究方向为电磁场与微波天线。 朱小三 女,1980年生于安徽庐江,现为安徽大学电子科学与技术学院硕士研究生,主要研究方向为电磁场与微波天线。 邹永庆 男,1963年生于安徽霍邱,1988年毕业于合肥工业大学,硕士,现为中国电子科技集团公司第三十八研究所研究员,主要研究方向为微波天线,曾主持国防重大项目多项,获国防科技进步奖3项,已发表论文近30篇。160 雷达科学与技术第5卷第2期
