一種新型低剖面寬帶相控陣單元研究

王敏男 郝書吉 朱允鋒 朱金鵬

(中國電波傳播研究所,山東 青島 266107)

1.引 言

目前,隨著雷達(dá)系統(tǒng)、通信對抗系統(tǒng)等的不斷發(fā)展,對有源相控陣天線單元提出了較高的要求,如增益、帶寬、寬角掃描等等。很多文獻(xiàn)對寬帶天線單元及陣列進(jìn)行了技術(shù)探討,文獻(xiàn)[1]介紹了寬帶阻抗匹配的方法,但實(shí)現(xiàn)起來很困難,文獻(xiàn)[2]介紹了改善相控陣天線帶寬的技術(shù)途徑,分別從寬帶陣元和寬帶陣列技術(shù)兩方面進(jìn)行論述,文獻(xiàn)[3]采用寬帶天線單元施加匹配網(wǎng)絡(luò)的方法對一種短波寬帶天線系統(tǒng)進(jìn)行了研究。總體來看,這些方法和技術(shù)值得借鑒,但常規(guī)的相控陣天線單元在應(yīng)用方面仍存在諸多缺點(diǎn),如水平極化振子天線,其天線結(jié)構(gòu)簡單,但其尺寸、阻抗和增益帶寬受限制,即使對其施加寬帶匹配網(wǎng)絡(luò)也很難滿足陣列寬帶和寬角掃描要求;工程上常使用的對數(shù)周期天線,雖然頻帶較寬、增益穩(wěn)定,但其橫向和縱向尺寸大,不利于寬帶平面陣的組陣。為解決常規(guī)寬帶天線單元存在的這些缺點(diǎn),提出一種新型低剖面寬帶相控陣單元,并對該相控陣天線單元電特性及組陣后特性進(jìn)行研究,結(jié)果表明該相控陣單元具備很多優(yōu)點(diǎn),滿足寬帶平面相控陣的組陣要求,且該相控陣單元的設(shè)計(jì)方法可以為其他寬帶天線系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供參考。

2. 單元天線設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)思路

選擇合適的相控陣天線單元主要從電氣和結(jié)構(gòu)上考慮。電氣方面:首先天線單元應(yīng)有好的阻抗特性,作為發(fā)射天線單元,其阻抗具有寬帶特性是天線設(shè)計(jì)的要求之一;其次是天線具有合適的方向圖和增益,如天線掃描過程中天線單元具有較寬的主瓣寬度,在頻帶范圍內(nèi)具有穩(wěn)定的增益等等。結(jié)構(gòu)方面,由于天線單元水平放置,天線單元的長度不能大于兩相鄰單元的間距,而天線間距的選擇主要考慮避免柵瓣出現(xiàn),對矩形相控陣來說,最大理論間距[4]為,≤λ/(1+|sin|),其中為最大掃描角。綜上可知:天線陣列設(shè)計(jì)中單元長度、間距以及頻帶寬度相互矛盾,如天線工作頻率帶寬為3個倍頻程、=30°時,計(jì)算得到單元天線臂長為0.22λmax,遠(yuǎn)小于半波對稱振子諧振長度,此時天線Q值較高,天線很難全頻帶阻抗匹配。因此,在滿足天線單元長度尺寸要求后,還需要對天線單元進(jìn)行頻帶展寬設(shè)計(jì),常見展寬電小天線單元帶寬[5]主要有兩種方法,第一種方法是犧牲效率換取一定寬度的工作頻帶,該方法缺點(diǎn)是增益降低,對于大功率發(fā)射天線單元而言工程實(shí)現(xiàn)較困難;第二種方法是采用調(diào)諧的概念來展寬帶寬,如對數(shù)周期天線,其天線振子處于不同的諧振狀態(tài),但橫向和縱向尺寸較大,不利于水平定向組陣。根據(jù)以上分析過程,綜合已有寬帶天線設(shè)計(jì)方法,提出一種新型的低剖面寬帶相控陣單元,其示意圖如圖1所示。

圖1 天線單元示意圖

該相控陣單元設(shè)計(jì)思路的依據(jù)有三個方面,第一,天線單元結(jié)構(gòu)上將上、下兩層振子揉合在一起分頻段工作,從而有效地減小了天線的占地面積,并增加了天線的帶寬;第二,對每層振子進(jìn)行“增肥”設(shè)計(jì),即選擇一些電特性好的寬頻帶振子,既滿足方向性要求又展寬頻帶;第三,在振子根部施加寬帶匹配網(wǎng)絡(luò),進(jìn)一步展寬天線單元的頻帶寬度。

加載匹配網(wǎng)絡(luò)展寬天線帶寬、降低天線端口駐波比的設(shè)計(jì)方法,需要充分考慮陣元之間的互耦影響。從陣列角度出發(fā),根據(jù)網(wǎng)絡(luò)理論,各陣元的電壓、電流滿足方程

當(dāng)各天線單元與相應(yīng)饋線間連接匹配網(wǎng)絡(luò)時,則可將匹配網(wǎng)絡(luò)看成一個二端口網(wǎng)絡(luò),通過推導(dǎo)得到公式

1)新的阻抗矩陣元素與網(wǎng)絡(luò)Z參數(shù)有關(guān),選擇合適的網(wǎng)絡(luò)Z參數(shù),可以展寬天線單元的帶寬;

2)當(dāng)陣元特性不一樣時(由于在陣中的位置不同),調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)可以局部改善天線單元特性;

經(jīng)過對結(jié)構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),天線結(jié)構(gòu)主要參數(shù)為:低頻振子長度 L約為0.22λmax,低頻振子距離反射面高度 H約為0.12λmax.

2.2 與常規(guī)天線比較

采用矩量法[6-7]求解天線單元的電流分布,首先根據(jù)細(xì)線天線電流的積分方程

將上式中微分用有限差分代替,把整個天線單元分為N+1段,則可得電流分布的近似算子方程。將基函數(shù)帶入近似算子方程,以δ函數(shù)為權(quán)函數(shù)進(jìn)行點(diǎn)選配,可得到矩陣方程

利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算,便得到天線上的電流分布,進(jìn)而可求得其他電參數(shù)。

圖2是通過數(shù)值計(jì)算得到的單元天線方向系數(shù)隨頻率的變化曲線,為與常規(guī)天線單元進(jìn)行比較,圖中給出距離反射面高度為0.25λmax的半波對稱V型振子方向系數(shù)隨頻率的變化曲線。圖3為通過數(shù)值計(jì)算得到的單元天線方向圖和半波V型振子方向圖(在反射網(wǎng)的法線方向上)。

圖2表明天線單元方向系數(shù)隨頻率變化較小,而普通對稱振子隨頻率增加其方向系數(shù)變化較大。圖3表明,隨著頻率的增加,普通對稱振子方向圖發(fā)生分裂,不再滿足相控陣掃描要求,而新型天線單元方向圖變化較小。從方向系數(shù)隨頻率變化曲線以及不同頻點(diǎn)方向圖特性,可以看出提出的新型相控陣天線單元有很好的電氣特性,且具有頻帶寬、電尺寸較小、剖面較低等優(yōu)點(diǎn)。

3.5×5平面陣計(jì)算

為更好地驗(yàn)證天線單元可用于平面陣的組陣單元,計(jì)算此天線單元在5×5矩形平面陣中的電特性及陣列特性,5×5矩形平面陣示意圖如圖4。

圖4 5×5矩形平面陣示意圖

如果天線單元是作為發(fā)射天線單元,一般要求其輸入端口駐波比小于2.5,這樣可以保證振子和饋線之間實(shí)現(xiàn)有效的功率傳輸。在陣列中單元輸入端口駐波主要通過振子根部匹配網(wǎng)絡(luò)的調(diào)節(jié)而確定,限于篇幅這里不再贅述,詳見文獻(xiàn)[8-11]。這里主要給出天線單元在陣中特性,圖5為平面陣中心單元的駐波比隨頻率變化曲線,圖6為陣列中心單元在陣中的方向圖,圖7為天線陣在等幅等相激勵條件下頻率為3f min的方向圖。

圖5和圖6表明:在3倍頻程范圍內(nèi),單元天線的駐波比滿足要求,陣中單元方向圖滿足組陣后寬角波束掃描要求。根據(jù)Knittel[12]提出的匹配技術(shù),減小單元間距可使阻抗隨掃描角的變化顯著減小,本文在5×5矩形平面陣的計(jì)算中,兩個方向上單元間距均為0.25,遠(yuǎn)小于一般情況下的0.5,且在掃描情況下其阻抗相對變化較小,有效地改善了相控陣天線設(shè)計(jì)中寬帶寬角掃描問題。下一步將對開展天線縮比模型實(shí)驗(yàn)進(jìn)行深入研究。

4.結(jié) 論

基于目前一些應(yīng)用系統(tǒng)對水平極化相控陣天線單元提出的高要求,在對傳統(tǒng)寬帶天線單元優(yōu)缺點(diǎn)分析的基礎(chǔ)上,綜合已有寬帶天線單元設(shè)計(jì)方法,提出一種新型低剖面寬帶相控陣天線單元。通過采用矩量法對天線單元電特性的分析和計(jì)算,并對結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),獲得了優(yōu)良的天線性能和較好的結(jié)構(gòu)尺寸。最后,對由此天線單元組成的5×5矩形平面陣進(jìn)行分析和計(jì)算,結(jié)果表明:此天線單元滿足平面陣列的組陣要求,從而為寬帶寬角掃描的有源相控陣天線系統(tǒng)提供了一種新型的天線單元形式,且可為其他寬帶天線系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供技術(shù)參考。與常規(guī)的寬帶相控陣天線單元相比,該相控陣單元有如下突出特點(diǎn):

1)天線單元剖面低,電尺寸小,低頻振子距離反射面高度約0.12λmax,長度僅約0.22λmax。

2)天線單元頻帶寬,可達(dá)3倍頻程。

3)寬頻帶內(nèi)駐波比滿足小于2.5的要求,從而可實(shí)現(xiàn)功率的高效輻射。

4)該天線單元滿足平面陣列的組陣要求,且滿足寬角波束掃描要求。

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