一種寬帶低剖面相控陣單元天線

朱金鵬 劉小國(guó) 鄧維波 朱文軍

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)，黑龍江 哈爾濱 150001；2. 中國(guó)電波傳播研究所，山東 青島 266107)

引 言

低剖面定向?qū)拵炀€是無(wú)線通信技術(shù)、機(jī)載天線技術(shù)中一個(gè)熱點(diǎn)研究方向，其難點(diǎn)是單元帶寬設(shè)計(jì)(如阻抗、增益和波束等要求)，尤其是在組陣過(guò)程中.近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外針對(duì)天線寬帶技術(shù)展開(kāi)了深入研究，取得一定的研究成果，文獻(xiàn)[1-6]在常規(guī)天線附近增加諧振頻率不同的寄生單元以展寬天線帶寬，但該方法帶來(lái)了天線尺寸較大和頻帶內(nèi)方向圖不穩(wěn)定等缺點(diǎn)[7-8]；文獻(xiàn)[9-13]在天線端口增加寬頻帶的匹配技術(shù)拓展帶寬，但研究表明該方法改善帶寬能力是有限的.

從已發(fā)表的文獻(xiàn)看，多數(shù)是研究如何提高單元天線帶寬或使得單元天線滿(mǎn)足接收陣列要求，很少有從發(fā)射角度考慮定向天線寬帶特性，且其中天線形式也比較單一.本文從發(fā)射角度出發(fā)，提出一種立體結(jié)構(gòu)和平面結(jié)構(gòu)相結(jié)合的復(fù)合電小天線，運(yùn)用陣列環(huán)境展寬單元天線帶寬，計(jì)算表明，該天線單元可以滿(mǎn)足低剖面、寬帶功率相控陣組陣要求.思想和方法為拓展定向天線帶寬設(shè)計(jì)提供一種技術(shù)路線，從而為超寬帶系統(tǒng)應(yīng)用提供了有力支持.

1 寬帶錐形復(fù)合定向天線研究

1.1 基本理論

在O_xyz坐標(biāo)系中，設(shè)位于z=0無(wú)限大導(dǎo)電平面上的M×N個(gè)陣元以矩形柵格排列，x、y方向的陣元間距為dx，dy,其中第(0,0)號(hào)陣元位于坐標(biāo)原點(diǎn).第(m,n)號(hào)陣元位置矢量和激勵(lì)復(fù)電流為：ρmn=mdxi+ndyj，Imn=Imnexp(-jΨmn)πmn.若不計(jì)單元互耦，陣列的遠(yuǎn)場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)為

exp(jkρmn·r)emn,

式中：πmn為第(m,n)線極化單位矢量；fmn(θ,?)為遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖函數(shù)；emn為遠(yuǎn)場(chǎng)輻射極化單位矢量；r為觀察方向單位矢量.根據(jù)以上表達(dá)式，為避免柵瓣出現(xiàn)，其單元最大理論間距為dx，dy≤λ/(1+sinθm),其中θm為最大掃描角，如天線工作頻率帶寬為3個(gè)倍頻程、θm=30°時(shí)，計(jì)算得到單元間距最大值為0.22λmax.綜上所知，天線陣列設(shè)計(jì)中單元間距與掃描角和頻帶寬度相互矛盾，因此對(duì)于寬帶相控陣中單元天線，其單元長(zhǎng)度相對(duì)低頻屬電小天線范疇.

文獻(xiàn)[16-17]根據(jù)電小天線ka?1的特點(diǎn)，分析了定向天線的最大增益與Q值比，通過(guò)推導(dǎo)可得到以下簡(jiǎn)式

(1)

由式(1)看出定向電小天線Q值極限值只與頻率和線徑a有關(guān)，其最大增益為3； 而Rhodes定義天線的Q值可以表示為如下形式[18]，

(2)

由式(2)可看出，天線的品質(zhì)因素可以用天線的輸入阻抗 (R0(?0)+jX0(?0))特性來(lái)近似表達(dá)，單元天線增益由端口效率η和方向系數(shù)D確定，需要說(shuō)明的是式(1)、(2)在文獻(xiàn)[16-18]中只考慮電小天線本身.依據(jù)式(2)對(duì)陣中單元進(jìn)行研究，增加天線線徑、運(yùn)用單元的陣列環(huán)境提高天線的輸入電阻或降低電抗值，達(dá)到降低單元天線Q值的目的，從而提高電小天線的增益和阻抗帶寬，為改善天饋系統(tǒng)功率匹配，在單元端口增加了LC網(wǎng)絡(luò).

1.2 低剖面寬帶錐形定向復(fù)合天線單元研究

根據(jù)以上理論，為滿(mǎn)足線極化平面相控陣的3倍頻、掃描30°要求，其單元間距d應(yīng)小于0.22λmax，由此得到相控陣單元橫向全尺寸L應(yīng)小于)0.22λmax.依據(jù)球形空間電小天線理論和倒V對(duì)稱(chēng)振子天線基本特性，本文提出一種錐形復(fù)合定向新穎偶極天線(見(jiàn)圖1)，其陣面距離反射面高度為0.135λmax.

圖1 錐形復(fù)合定向天線示意圖

從圖1看出，天線采用分層設(shè)計(jì)，上層低頻天線體采用四邊形錐形結(jié)構(gòu)、下層高頻天線體采用平面結(jié)構(gòu)；當(dāng)天線工作在高頻時(shí)，低頻天線體作為高頻天線寄生單元，通過(guò)高、低層天線間距選擇可以改善高頻天線阻抗和增益帶寬.

運(yùn)用矩量法對(duì)天線進(jìn)行數(shù)值計(jì)算[19-20]，得到天線上的電流分布，進(jìn)而求得其它電參數(shù).圖2(b)是通過(guò)數(shù)值計(jì)算得到高頻天線駐波比，在1.9fmin～3.1Ωfmin區(qū)間內(nèi)駐波比小于2(參考阻抗為100 Ω)；

(a) 低頻天線駐波比

(b) 高頻天線駐波比圖2

對(duì)于低頻天線，采用立體錐形結(jié)構(gòu)后，其對(duì)稱(chēng)振子諧振頻率向低頻偏移(為0.32λ)，但由于該天線在低頻段屬于電小天線，其輻射電阻較小，因此其駐波比隨頻率降低而急劇惡化，從而達(dá)不到與系統(tǒng)之間寬帶匹配要求，見(jiàn)圖2(a)，圖中參考阻抗為50 Ω.

由于天線采用分層設(shè)計(jì)，其低頻天線面、高頻天線面分別到地網(wǎng)距離電高度基本不變，因此其天線方向系數(shù)隨頻率變化較小(見(jiàn)圖3)，另從圖中看出該天線在3倍頻程內(nèi)方向系數(shù)大小為6～8 dBi.圖4是該天線E面方向圖，從圖中看出，在工作頻帶內(nèi)波束寬度大于60°，滿(mǎn)足30°掃描要求.

圖3 錐形復(fù)合定向天線方向系數(shù)

圖4 錐形復(fù)合定向天線E面方向圖

通過(guò)以上分析計(jì)算，除低頻天線駐波比外(低頻天線阻抗匹配主要依靠陣列環(huán)境和匹配網(wǎng)絡(luò))，該天線單元具有頻帶寬、電尺寸小、剖面低等優(yōu)點(diǎn).文獻(xiàn)[6]設(shè)計(jì)了一種寬頻帶雙層傘形天線單元，其單元阻抗相對(duì)帶寬為1.48倍頻(駐波比小于等于2)，而設(shè)計(jì)的高頻天線阻抗相對(duì)帶寬為1.63倍頻.

2 3×3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3×3矩形平面陣(見(jiàn)圖5)中的電特性及陣列特性，在該陣存在4種不同狀態(tài)(#1,#2,…,#4).根據(jù)工作頻率劃分，此3×3矩形平面陣包括3×3低頻陣和3×3高頻陣.

由于低頻天線間距較小其單元間耦合嚴(yán)重，圖6給出了單元#1和#2之間的散射系數(shù)測(cè)試值，其端口參考阻抗為50 Ω.

圖5 3×3矩形平面陣示意圖

圖6 3×3低頻天線陣單元#1、#2端口之間散射系數(shù)隨頻率變化曲線

圖7給出了低頻天線#4輸入阻抗R(#4open)+jX(#4open)(其他單元端口開(kāi)路)和3×3矩形陣陣中單元#4有源阻抗R(#4TT)+jx(#4TT)隨頻率變化曲線，從圖中看出，由該單元組陣后，其阻抗得到明顯改善，從而提高了電小天線的阻抗帶寬和效率.

圖7 單元#4在兩種狀態(tài)下阻抗隨頻率變化曲線

由于高頻天線陣單元間距較大，其單元間耦合對(duì)天線端口影響較小，圖8給出了3×3矩形陣中單元#4高頻天線阻抗隨頻率變化曲線，從圖中可知其阻抗比較平穩(wěn).

圖9是3×3低頻天線陣4種陣中單元在加入匹配網(wǎng)絡(luò)后的等幅同相激勵(lì)條件下的駐波比，其駐波比小于2.5.

圖8 3×3高頻天線陣陣中單元#4輸入阻抗隨頻率變化曲線

圖9 3×3低頻天線陣陣中單元駐波比隨頻率變化曲線

以上計(jì)算表明， 3×3天線陣在低頻和高頻內(nèi)單元天線的駐波比滿(mǎn)足3倍頻程要求.對(duì)于陣列掃描阻抗失配，依據(jù)Knittel[21]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，單元間距為0.22λmax(遠(yuǎn)小于0.5λmax)，因此有效改善了相控陣天線設(shè)計(jì)中寬帶寬角掃描問(wèn)題.

3 結(jié) 論

基于目前一些應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)水平極化定向相控陣天線單元提出的高要求，在對(duì)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，提出了一種立體和平面結(jié)構(gòu)、寄生單元和激勵(lì)單元相結(jié)合、網(wǎng)絡(luò)和陣列環(huán)境相結(jié)合的錐形復(fù)合定向小型化新穎高增益偶極天線.通過(guò)對(duì)由此天線單元組成的3×3矩形平面陣的分析和計(jì)算，結(jié)果表明，此天線單元滿(mǎn)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，提出的相控陣單元有如下突出特點(diǎn)：

1) 天線單元采用立體和平面結(jié)構(gòu)、寄生單元和激勵(lì)單元相結(jié)合展寬天線帶寬；

2) 運(yùn)用陣列環(huán)境提高電小天線增益，在單元端口增加匹配網(wǎng)絡(luò)使寬頻帶內(nèi)陣中單元駐波比滿(mǎn)足小于2.5的要求，從而可實(shí)現(xiàn)功率的高效輻射；

3) 天線單元剖面低、電尺寸小，低頻振子距離反射面高度約0.135λmax，長(zhǎng)度僅約0.22λmax；

4) 天線單元阻抗、方向圖帶寬可達(dá)3倍頻程，波束寬度滿(mǎn)足30°掃描要求，其增益在帶寬內(nèi)穩(wěn)定(6～8 dBi).

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