一種新型超寬帶緊耦合天線陣列設(shè)計(jì)

張 君，胡志慧，曲洪東

（1.海軍航空工程學(xué)院電子信息工程系，山東煙臺(tái)264001；2.陸軍航空兵學(xué)院，北京101123）

隨著艦載、機(jī)載、彈載武器系統(tǒng)的發(fā)展，迫切要求其雷達(dá)系統(tǒng)具有通信、導(dǎo)航、預(yù)警、電子對抗等多種功能。由于平臺(tái)空間有限，同時(shí)安裝多部雷達(dá)天線將非常困難，因而可在這些平臺(tái)上安裝超寬帶天線陣列。當(dāng)采用Vivaldi 天線、對數(shù)周期天線等組成陣列時(shí)，由于其是一種行波天線，縱向尺寸較大，在安裝空間有限時(shí)難以滿足要求。當(dāng)采用平面結(jié)構(gòu)的蝴蝶結(jié)天線、螺旋天線等[1-3]組成陣列時(shí)，受單元間互耦以及天線背面金屬安裝平臺(tái)的影響，其阻抗帶寬會(huì)惡化。

近年，TCA 已被應(yīng)用于超寬帶天線陣列設(shè)計(jì)[4-5]。不同于傳統(tǒng)超寬帶天線陣列，TCA利用單元間的強(qiáng)耦合來實(shí)現(xiàn)超寬帶與小型化。Munk 等[6]人最早設(shè)計(jì)了基于偶極子天線單元的TCA，在背面加接地板（Ground Plane，GP）時(shí)，阻抗帶寬可達(dá)4.5 ∶1，并在文獻(xiàn)[7]中證實(shí)，通過多層介質(zhì)加載其阻抗帶寬可拓展為9 ∶1。Volakis 等[8-11]著重對矩形螺旋結(jié)構(gòu)的TCA 進(jìn)行了研究，實(shí)現(xiàn)了10 ∶1 阻抗帶寬。Moulder 等人[12]對TCA做了進(jìn)一步研究，采用末端相互重疊的蝴蝶結(jié)天線單元設(shè)計(jì)了TCA，在介質(zhì)加載時(shí)阻抗帶寬可達(dá)14.2 ∶1。國內(nèi)這方面研究較少，楊仕文教授[13]設(shè)計(jì)了基于八邊形環(huán)狀結(jié)構(gòu)的TCA，阻抗帶寬4.4 ∶1。

盡管TCA 可實(shí)現(xiàn)多個(gè)倍程的帶寬，但當(dāng)與GP 之間的距離為其工作波長一半時(shí)會(huì)出現(xiàn)短路點(diǎn)，從而限制了其阻抗帶寬進(jìn)一步拓展。針對這一問題，本文將柵格形阻性頻率選擇表面（Resistive Frequency Selective Surface，RFSS）與交指型偶極子天線單元相結(jié)合設(shè)計(jì)了一種新型多層結(jié)構(gòu)的超寬帶TCA，采用CST對TCA加載與未加載柵格形RFSS時(shí)的阻抗帶寬進(jìn)行了比較分析。該新型多層結(jié)構(gòu)的TCA 可克服天線陣列短路點(diǎn)，具有超寬帶、體積小的特點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于艦載、機(jī)載、彈載等超寬帶小型化共形相控陣天線中。

1 TCA的原理

TCA 是基于Wheeler 提出的電流面理論設(shè)計(jì)，可用緊耦合偶極子天線陣列來描述，見圖1 a），d為周期，h為天線陣列與GP 的距離。不同于傳統(tǒng)天線陣列，TCA 通過緊密地排列天線單元，使相鄰單元間產(chǎn)生很強(qiáng)的耦合電容C，每個(gè)天線單元等效為電感L，其等效電路見圖1 b），為其輸入阻抗，其中，η0=120πΩ 為自由空間波阻抗，為天線下側(cè)短路傳輸線的特性阻抗。其輸入阻抗相位及駐波系數(shù)見圖1 c），當(dāng)時(shí)，單元間的強(qiáng)耦合電容C可與感性電抗ZGP相抵消，在2.1~9.5 GHz 頻率范圍內(nèi)輸入阻抗相位在-40°～40°之間，其駐波系數(shù)小于2，阻抗帶寬為4.5 ∶1。

圖1 緊耦合偶極子天線陣列Fig.1 Tightly coupled dipole array

2 柵格形RFSS的設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的柵格形RFSS 如圖2 a）所示，周期d=4.57 mm，距GP 高度h1=7.1 mm，柵格形電阻膜寬度w1=0.4 mm，方阻為Rs=33 Ω，基片采用RO4003，介電常數(shù)εr=3.38，厚度t1=0.508 mm，采用CST對柵格形RFSS 進(jìn)行仿真分析，并與柵格形金屬型頻率選擇表面（Metal Frequency Selective Surface，MFSS）進(jìn)行了比較，如圖2 b）所示，柵格形MFSS在整個(gè)頻帶內(nèi)全反射，反射系數(shù)為1；柵格形RFSS 的反射系數(shù)會(huì)隨著隨頻率的改變而改變，在4~16.4 GHz頻率范圍內(nèi)其反射系數(shù)均小于0.6，在10.6 GHz 時(shí)其反射系數(shù)最小。因此，柵格形RFSS可在很寬的頻帶內(nèi)抑制GP的反射，從而用來改變天線與GP之間介質(zhì)的傳輸特性。

圖2 柵格形RFSSFig.2 Grid RFSS

3 基于柵格形RFSS的TCA設(shè)計(jì)

基于柵格形RFSS 的TCA 天線單元見圖3 a），周期d=4.57 mm。采用偶極子天線，每個(gè)單元通過交指電容與相鄰單元耦合，離接地板高度h=14.2 mm，其結(jié)構(gòu)如圖3 b）所示，天線蝕刻于RO4003基片上，厚度t=0.508 mm。柵格形RFSS 位于離接地板h1處，等效為由電阻R及電抗XF組成的并聯(lián)電路單元。Zin=jωL+1 (jωC)+ZGP//η0為 其 輸 入 阻 抗，其 中，ZGP=η0(1+Γ) (1-Γ)為加載RFSS 后天線單元下側(cè)的阻抗，Γ為柵格形RFSS 的反射系數(shù)，C為交指電容。TCA天線單元的等效電路見圖3 c）。

圖3 基于柵格形RFSS的TCAFig.3 TCA with grid RFSS

基于上述設(shè)計(jì)的10×10 陣列見圖4，整體尺寸為101 mm×101 mm×14 mm。

圖4 10×10 天線陣列Fig.4 10×10 antenna array

4 仿真結(jié)果與分析

為分析RFSS 對TCA 阻抗帶寬的影響，分別針對TCA在加載柵格形RFSS、加載柵格形MFSS及沒有任何加載時(shí)3 種不同情況進(jìn)行了比較分析，其駐波系數(shù)及輸入阻抗的相位如圖5 a）、5 b）所示。

圖5 不同加載時(shí)TCA駐波系數(shù)及輸入阻抗相位Fig.5 VSWR and phase of TCA input impedance with different load

當(dāng)TCA與GP之間沒有任何加載時(shí)，由圖5可知，TCA在10.6 GHz處天線陣列短路，在該頻點(diǎn)其駐波系數(shù)遠(yuǎn)大于2，輸入阻抗相位產(chǎn)生突變，限制了TCA的阻抗帶寬。這是由于當(dāng)h=λ2 時(shí)，由圖1 b）等效電路知，短路傳輸線的特性阻抗ZGP=0 ，TCA 在頻率f=c2h處短路。

當(dāng)TCA與GP之間加載柵格形MFSS時(shí)，由圖5可知，柵格形MFSS 雖然能抑制TCA 在10.6 GHz 處短路，但在高頻段會(huì)出現(xiàn)短路點(diǎn)，其阻抗帶寬仍受到了限制，這是由于MFSS屬于金屬諧振結(jié)構(gòu)超材料，只能在很窄的帶寬內(nèi)抑制GP對天線的影響。

當(dāng)TCA與GP之間加載柵格形RFSS后，由圖5可知，TCA在1.8~18.8 GHz頻率范圍內(nèi)輸入阻抗相位在-40°～40° 之間，其駐波系數(shù)小于2，阻抗帶寬可達(dá)10.4 ∶1。這是由于加載柵格形RFSS 后，由圖3 c）知，受并聯(lián)電阻R的影響，其輸入阻抗相位在很寬的頻帶內(nèi)變化較緩，并且由圖2 b）知，柵格形RFSS后可抑制GP的反射，避免TCA 在f=c2h處短路，因而可將其放置于TCA與GP之間來拓展TCA的阻抗帶寬。

5 結(jié)論

針對TCA由于GP影響其阻抗帶寬受到限制的問題，本文設(shè)計(jì)了一種新型多層結(jié)構(gòu)的超寬帶TCA，該TCA 由交指型偶極子天線、柵格形RFSS 以及GP 組成，采用CST 對TCA 加載與未加載柵格形RFSS 時(shí)的阻抗帶寬進(jìn)行了比較分析。仿真結(jié)果表明：未加載柵格形RFSS時(shí)，受GP的影響，TCA在10.6 GHz處短路，其最佳阻抗帶寬為4.5 ∶1（2.1~9.5 GHz）；加載柵格形RFSS后，TCA可克服天線短路點(diǎn)，其阻抗帶寬可達(dá)10.4 ∶1（1.8~18.8 GHz）。該新型多層結(jié)構(gòu)的TCA 通過加載柵格形RFSS，克服了接地板影響，進(jìn)一步拓展了其阻抗帶寬，在艦載、機(jī)載、彈載等超寬帶小型化共形相控陣天線中有廣闊應(yīng)用前景。

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