新型低剖面開槽天線陣列研究

張 敏 趙 旭 王一笑 王偉光 楊穎怡

( 中國航天科工集團(tuán)8511研究所，江蘇 南京 210007 )

引 言

目前，通信、雷達(dá)系統(tǒng)平臺越來越小，而通信、雷達(dá)偵察系統(tǒng)的不斷發(fā)展，對于天線的性能要求越來越高，這與基本的物理規(guī)律自相沖突和矛盾，給天線的設(shè)計帶來極大的困難.因此，大多的系統(tǒng)平臺都對天線提出了小型化、低剖面、高增益的要求[1-2].

本文就以上問題，結(jié)合實際應(yīng)用背景，提出了一種低剖面開槽天線，并以此天線為基礎(chǔ)，構(gòu)成低剖面陣列天線的方案，很好地解決了工程實際應(yīng)用難題.

低剖面開槽天線是一種印刷天線[3]，該天線具有頻帶寬、增益高、結(jié)構(gòu)緊湊和小型輕便等優(yōu)點[4-5].在輻射貼片上開U形縫隙，可引起貼片表面電流的變化，等效為引入阻抗匹配元件，從而改變輻射貼片的諧振特性，通過諧振電路之間的耦合作用進(jìn)而達(dá)到展寬頻帶的目的.

本文中天線單元的初始尺寸可由下式給出仿真初值[6-7]

(1)

式中：w為貼片長度；L為貼片寬度；c為光速；εr為介質(zhì)板介電常數(shù)；εe為等效介電常數(shù)；fr為諧振頻率；h為介質(zhì)板厚度,在較低頻段工作時,從減小天線重量及安裝面積和降低成本著眼, 地板尺寸WG和LG應(yīng)盡可能小,考慮背饋情況有

(2)

因此，其理論基礎(chǔ)與微帶天線具有相似性.

(a) 天線單元三維結(jié)構(gòu)圖

(b) 天線單元側(cè)視圖

(c) 天線單元俯視圖圖1 天線單元結(jié)構(gòu)圖

1 單元天線結(jié)構(gòu)設(shè)計及仿真

1.1 單元天線結(jié)構(gòu)設(shè)計

圖1為天線結(jié)構(gòu)示意圖,其中圖(a)為天線的三維坐標(biāo)圖,圖(b)為天線總體側(cè)視圖，圖(c)為天線總體俯視圖.從圖中可以看出, 在天線單元上層輻射貼片饋電點附近開了一個U形縫隙，通過調(diào)整U形縫隙的位置、長度和寬度，最終實現(xiàn)阻抗匹配達(dá)到展寬天線帶寬的目的.

1.2 單元天線的仿真

為減小介質(zhì)板對微帶天線性能的影響，選取ε=2.2，h=1 mm的介質(zhì)基板,介質(zhì)板與地板中間為空氣層, 此舉可降低等效諧振電路Q值,從而進(jìn)一步展寬印刷天線帶寬.天線底層為地板,天線采用50 Ω的同軸線進(jìn)行饋電，這種饋電方式穩(wěn)定，后向輻射小，有效抑制了后瓣的產(chǎn)生.天線各尺寸參數(shù)如表1所示.

表1 天線參數(shù)尺寸

通過三維仿真軟件(High Frequency Structure Simulator ,HFSS)對天線單元進(jìn)行仿真得到的計算結(jié)果如圖2所示.其中圖(a)為單元天線的仿真駐波曲線,從圖中可以知道，天線單元在1.45 ～1.85 GHz頻段范圍內(nèi)電壓駐波比(Voltage Standing Wave Ratio,VSWR)小于2，三個不同頻點的E面和H面仿真方向圖如圖(b)和(c)所示,天線單元在1.7 GHz時的最大增益為9.3 dB.

(a) 天線單元仿真駐波曲線

(b) 天線單元仿真E面方向圖

(c) 天線單元仿真H面方向圖圖2 天線單元仿真曲線

(a) 天線陣列正面圖

(b) 天線陣列背面圖圖3 天線陣列結(jié)構(gòu)圖

2 天線陣列設(shè)計仿真

2.1 天線陣列結(jié)構(gòu)設(shè)計

完成單元天線仿真后，可將天線單元組成一個四元陣列進(jìn)行仿真，并加工制作了陣列天線實物.圖3為天線陣列的功分網(wǎng)絡(luò)，通過兩級二等分功分器設(shè)計出饋電網(wǎng)絡(luò)，為了更好地實現(xiàn)阻抗匹配，在功分器末端加入匹配枝節(jié)對電壓駐波比進(jìn)行調(diào)節(jié)，這種結(jié)構(gòu)還保證實現(xiàn)各個陣元等幅同相.通過對天線陣列各個單元貼片的尺寸以及單元間距進(jìn)行微調(diào)優(yōu)化得到最理想的仿真結(jié)果.

圖4為四元天線陣列的仿真結(jié)果.其中(a)為天線陣的仿真駐波曲線,天線在1.47 ～1.7 GHz 頻段范圍內(nèi)VSWR<2,天線陣列三個不同頻點的E面和H面仿真方向圖如圖(b)和(c)所示,可得到陣列天線在1.7 GHz時的最大增益為18.07 dB.

(a) 天線陣列仿真駐波曲線

(b) 天線陣列仿真E面方向圖

(c) 天線陣列仿真H面方向圖圖4 天線陣列仿真曲線

2.2 天線陣列結(jié)果分析

根據(jù)表1中天線單元的參數(shù)尺寸和天線陣列的仿真結(jié)果， 制作了天線陣列實物,如圖6所示,并對天線實物進(jìn)行了測試.在1.5 ～1.7 GHz的頻段范圍內(nèi)VSWR<2,相對帶寬達(dá)到13%,圖5是天線陣列的實測歸一化方向圖曲線，實測最大增益達(dá)到了18 dB，與仿真計算結(jié)果相符.表2為天線陣列中心頻點f=1.6 GHz的仿真結(jié)果與實測結(jié)果的比較,從表中可以看出,天線的仿真計算結(jié)果與實測結(jié)果吻合得較好.

表2 天線陣列仿真與實測結(jié)果比較

圖5 天線陣列實測歸一化方向圖曲線

圖6 天線實物圖

3 結(jié) 論

設(shè)計了一種低剖面開槽天線,該天線具有頻帶較寬、低剖面、增益高的特點.在理論分析的基礎(chǔ)上，通過HFSS軟件的仿真、優(yōu)化設(shè)計，實測了一副四單元低剖面高增益陣列天線.實測結(jié)果很好地印證了該天線的上述特點.天線電壓駐波比VSWR<2的帶寬達(dá)到13%，且天線在工作頻段內(nèi)增益大于15 dB；其剖面高度僅約10 mm,很好地解決了實際工程中天線性能與平臺大小的矛盾問題.

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