X波段32元高增益陣列天線設(shè)計與仿真

朱丹

摘 要 本文研究了一種X波段32元高增益帶狀線天線陣的設(shè)計方法。陣元排列采用泰勒分布實(shí)現(xiàn)低副瓣。通過優(yōu)化帶狀線對稱振子結(jié)構(gòu)，展寬了陣列天線阻抗帶寬。討論了天線單元結(jié)構(gòu)尺寸與天線陣列帶寬之間的關(guān)系，介紹了帶狀線天線陣饋電網(wǎng)絡(luò)以及帶狀線轉(zhuǎn)微帶接頭的工程實(shí)現(xiàn)途徑。仿真計算結(jié)果表明，天線陣列在8%的相對帶寬內(nèi)電壓駐波比小于1.4，增益大于20dB，并具有良好的陣列方向圖。

關(guān)鍵詞 高增益；陣列天線；泰勒分布；X波段

中圖分類號：V243 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）06-0027-03

由于空中載體對裝載設(shè)備的輕量化要求越來越高，天線作為機(jī)載無線通信系統(tǒng)的終端部件，對其重量及尺寸有著非常嚴(yán)格的要求。通常選取的天線形式具有重量輕、體積小、低剖面、易于飛行器共形、易于有源器件及電路集成等優(yōu)點(diǎn)。微帶天線或者帶狀線天線是不錯的選擇，兩種形式各有優(yōu)點(diǎn)，微帶天線重量略輕，加工一致性好，缺點(diǎn)是介質(zhì)板損耗大；帶狀線天線整體封閉，損耗較小，缺點(diǎn)是加工一致性略差，重量略重。工程設(shè)計中一般根據(jù)實(shí)際情況，擇優(yōu)選用。

本文在已有的理論分析基礎(chǔ)上，選用帶狀線對稱振子結(jié)構(gòu)作為陣列天線輻射單元，設(shè)計了X波段32元帶狀線天線陣列。通過優(yōu)化單元天線結(jié)構(gòu)參數(shù)，減小天線單元間互耦對陣列性能的影響；饋電網(wǎng)絡(luò)采用泰勒幅度分布加權(quán)實(shí)現(xiàn)陣列低副瓣，并放置反射板提高陣列增益，在天線端口處設(shè)計了帶狀線-微帶轉(zhuǎn)接頭以便陣列天線與有源發(fā)射/接收（T/R）組件連接。陣列天線相對工作帶寬8%，在整個工作頻帶內(nèi)增益均大于20dB，方向圖副瓣低于-27dB，陣列天線實(shí)現(xiàn)了的高增益與低副瓣性能。

1 天線單元設(shè)計

如圖1所示，天線輻射單元主要由三部分構(gòu)成：帶狀線兩側(cè)的輻射振子結(jié)構(gòu)、寬帶饋電巴倫及介質(zhì)板。其中，饋電巴倫位于兩個輻射振子單元之間并通過縫隙耦合形式激勵天線輻射。介質(zhì)板采用Arlon-DiClad880，相對介電常數(shù)為2.17，單層介質(zhì)板厚度為1 mm，總厚度為2 mm，內(nèi)外層導(dǎo)體材料均為銀，導(dǎo)體層厚度為0.02 mm。

圖1 天線單元結(jié)構(gòu)圖

根據(jù)半波對稱振子天線工作原理，輻射臂長L通常選取自由空間波長的一半，天線高度H選取自由空間波長的四分之一。適當(dāng)選取輻射臂寬a可以有效地展寬天線工作頻帶，調(diào)節(jié)巴倫與輻射振子中間縫隙的長度及寬度實(shí)現(xiàn)縫隙耦合饋電。根據(jù)所需的輸入阻抗，通過計算得到饋線寬度w1，匹配枝節(jié)lp一般選取四分之一工作波長，同時優(yōu)化參數(shù)饋線長度ly與巴倫線寬w實(shí)現(xiàn)阻抗匹配。

圖2 天線單元仿真電壓駐波比

通過仿真優(yōu)化上述天線結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)，最終確定天線輻射臂長L=14 mm，輻射臂寬a=3 mm，天線高度H=8 mm，b=7 mm，耦合縫寬d=0.5 mm，耦合縫長7 mm，匹配枝節(jié)lp=4.5 mm，巴倫線寬w=0.7 mm，巴倫饋線長度ly=3 mm及饋線寬度w1=1.7 mm。仿真計算得到對稱振子天線單元電壓駐波比如圖2所示，從圖中可以得到，天線單元在X波段內(nèi)駐波小于2時的阻抗帶寬達(dá)到3 GHz以上，相對帶寬大于30%，說明該天線結(jié)構(gòu)在所需工作頻段內(nèi)具有良好的寬帶特性。

2 天線陣列設(shè)計

2.1 32單元天線陣列結(jié)構(gòu)

天線陣列結(jié)構(gòu)如圖3所示，在天線單元優(yōu)化設(shè)計的基礎(chǔ)上，將其按照32×1排列成直線陣列，相鄰單元中心間距22.5 mm，整個陣列尺寸為720×58×17 mm3。饋電網(wǎng)絡(luò)采用并聯(lián)強(qiáng)制饋電形式，即利用多個功率分配器將輸入功率分配到各個天線單元。為保證陣列輻射方向圖低副瓣，激勵幅度采用泰勒幅度分布加權(quán)，將32個天線單元按照激勵幅度分布對稱地分為6組，每組網(wǎng)絡(luò)連接一個有源發(fā)射/接收（T/R）組件來滿足最大功率能量輻射。每組天線單元個數(shù)分別為10、3、3、3、3、10，分別設(shè)計T型四級帶狀線一分十不等功分網(wǎng)絡(luò)和T型兩級帶狀線一分三不等功分網(wǎng)絡(luò)。

如圖3所示，由于對稱振子天線單元具有全向輻射特性，為提高陣列天線增益，在天線單元與饋電網(wǎng)絡(luò)之間放置了尺寸為656×17 mm2的金屬反射板。T/R組件與陣列饋電網(wǎng)絡(luò)之間通過盲插接頭相連，因此，在饋電網(wǎng)絡(luò)端口處設(shè)計了帶狀線轉(zhuǎn)微帶線轉(zhuǎn)接頭。如圖3中局部放大圖所示，通過在介質(zhì)板一側(cè)開矩形槽，并設(shè)計一段微帶線來實(shí)現(xiàn)帶狀線轉(zhuǎn)微帶線轉(zhuǎn)接頭，通過調(diào)節(jié)微帶線的長度及寬度實(shí)現(xiàn)阻抗匹配，盲插同軸接頭通過介質(zhì)板另一側(cè)與微帶線相連。

圖3 陣列天線結(jié)構(gòu)圖

通過泰勒分布方向圖方程計算，1～32陣元的歸一化泰勒幅度分布以及綜合形成的-30dB天線歸一化方向圖分別如圖4、5所示。

圖4 32元?dú)w一化泰勒幅度分布

圖5 -30dB天線歸一化方向圖

2.2 天線陣列仿真結(jié)果分析

在設(shè)計陣列天線時，通常認(rèn)為陣列中各天線單元為理想工作互不影響的。而實(shí)際的陣列天線系統(tǒng)中，每個天線單元都是開放型電路，各天線單元之間不可能實(shí)現(xiàn)完全隔離，而存在相互影響，即互耦?；ヱ顚μ炀€陣，尤其是小間距天線陣列的影響是不能忽略的。陣列天線的互耦效應(yīng)包括外部輻射與內(nèi)部傳輸兩個方面。天線單元之間互耦過程表示如下：天線感應(yīng)到外界電磁波后，在其端口處形成接收場，由于天線端口不可能實(shí)現(xiàn)完全匹配，故能量會在端口處反射，從而形成二次輻射，在天線單元之間這樣的反射—輻射過程會不斷重復(fù)下去。然而，陣列天線單元之間的互耦是固有屬性，不可能消除其對陣列的影響，只能通過一些方法來改善互耦對陣列天線電氣性能的影響。

文中所設(shè)計的32元陣列天線單元之間的互耦效應(yīng)直接影響到陣列天線端口電壓駐波比以及輻射方向圖。在陣列天線單元形式及單元間距確定的情況下，通過優(yōu)化輻射單元的結(jié)構(gòu)尺寸來降低互耦對陣列的影響。通過仿真實(shí)驗(yàn)，輻射單元臂長L對陣列駐波影響較大，通過減小臂長L，同時優(yōu)化巴倫匹配枝節(jié)lp，得到最優(yōu)參數(shù)尺寸。陣列天線各端口仿真電壓駐波比如圖6所示，在X波段800 MHz帶寬內(nèi)，陣列天線6個端口駐波比均小于1.4，在600 MHz實(shí)際工作頻段內(nèi)，陣列天線各端口駐波比均小于1.3，阻抗帶寬性能良好。endprint

圖6 陣列天線各端口仿真電壓駐波比

圖7 陣列天線低頻點(diǎn)仿真輻射方向圖

圖8 陣列天線中心頻點(diǎn)仿真輻射方向圖

圖9 陣列天線高頻點(diǎn)仿真輻射方向圖

圖7～圖9分別為陣列天線工作頻段內(nèi)低頻點(diǎn)、中心頻點(diǎn)及高頻點(diǎn)的仿真輻射方向圖，與圖5理論的計算方向圖作比較可以得到，在低頻點(diǎn)及高頻點(diǎn)副瓣電平抬高了1～2dB，在中心頻點(diǎn)副瓣電平抬高了3dB左右，這是由于理論計算取理想條件所致。陣列天線仿真增益與波束寬度如表1所示，在600 MHz工作頻段內(nèi)，增益均大于20dB，-3dB波束寬度為3°左右，與理論結(jié)果比較一致。

3 結(jié)論

本文研究了X波段高增益帶狀線天線陣的設(shè)計方法。結(jié)合理論分析和工程經(jīng)驗(yàn)，利用Ansoft HFSS軟件仿真設(shè)計了32元的高增益低副瓣帶狀線天線陣列。在設(shè)計過程中，考慮到天線輻射單元間的互耦對陣列天線電氣性能的影響，并通過合理優(yōu)化輻射單元結(jié)構(gòu)有效地降低了互耦對陣列天線的影響。仿真結(jié)果表明：天線在8%的帶寬內(nèi)，電壓駐波比小于1.4，通過合理放置金屬反射板使得陣列增益大于20dB，輻射方向圖副瓣電平均小于-27dB，從而驗(yàn)證了設(shè)計方法的有效性，實(shí)際工程應(yīng)用時，可將多個32元線陣組成面天線陣列，通過連接有源T/R組件與數(shù)字移相器可以組成有源相控陣天線系統(tǒng)，極大地拓廣了本文陣列天線的應(yīng)用范圍。

參考文獻(xiàn)

[1]Edward B， Rees D. A broadband printed dipole with integrated balun[J]. Microwave Journal， 1987：339-344.

[2]David M. Pozar.微波工程[M].張肇儀等譯.北京：電子工業(yè)出版社，2006：271-274.

[3]Taylor， T.T.， Design of Line Source Antennas for Narrow Beamwidth and Low Sidelobes[J].IEEE Trans. on Antennas and Propagation， Vol. AP-3， January 1955：16-28.

[4]袁飛，樂鐵軍，龍小專.陣列天線互耦補(bǔ)償技術(shù)研究[A].中國電子學(xué)會天線分會，2009年全國天線論文集[C].成都：電子工業(yè)出版社，2009：422-425.endprint

圖6 陣列天線各端口仿真電壓駐波比

圖7 陣列天線低頻點(diǎn)仿真輻射方向圖

圖8 陣列天線中心頻點(diǎn)仿真輻射方向圖

圖9 陣列天線高頻點(diǎn)仿真輻射方向圖

圖7～圖9分別為陣列天線工作頻段內(nèi)低頻點(diǎn)、中心頻點(diǎn)及高頻點(diǎn)的仿真輻射方向圖，與圖5理論的計算方向圖作比較可以得到，在低頻點(diǎn)及高頻點(diǎn)副瓣電平抬高了1～2dB，在中心頻點(diǎn)副瓣電平抬高了3dB左右，這是由于理論計算取理想條件所致。陣列天線仿真增益與波束寬度如表1所示，在600 MHz工作頻段內(nèi)，增益均大于20dB，-3dB波束寬度為3°左右，與理論結(jié)果比較一致。

3 結(jié)論

本文研究了X波段高增益帶狀線天線陣的設(shè)計方法。結(jié)合理論分析和工程經(jīng)驗(yàn)，利用Ansoft HFSS軟件仿真設(shè)計了32元的高增益低副瓣帶狀線天線陣列。在設(shè)計過程中，考慮到天線輻射單元間的互耦對陣列天線電氣性能的影響，并通過合理優(yōu)化輻射單元結(jié)構(gòu)有效地降低了互耦對陣列天線的影響。仿真結(jié)果表明：天線在8%的帶寬內(nèi)，電壓駐波比小于1.4，通過合理放置金屬反射板使得陣列增益大于20dB，輻射方向圖副瓣電平均小于-27dB，從而驗(yàn)證了設(shè)計方法的有效性，實(shí)際工程應(yīng)用時，可將多個32元線陣組成面天線陣列，通過連接有源T/R組件與數(shù)字移相器可以組成有源相控陣天線系統(tǒng)，極大地拓廣了本文陣列天線的應(yīng)用范圍。

參考文獻(xiàn)

[1]Edward B， Rees D. A broadband printed dipole with integrated balun[J]. Microwave Journal， 1987：339-344.

[2]David M. Pozar.微波工程[M].張肇儀等譯.北京：電子工業(yè)出版社，2006：271-274.

[3]Taylor， T.T.， Design of Line Source Antennas for Narrow Beamwidth and Low Sidelobes[J].IEEE Trans. on Antennas and Propagation， Vol. AP-3， January 1955：16-28.

[4]袁飛，樂鐵軍，龍小專.陣列天線互耦補(bǔ)償技術(shù)研究[A].中國電子學(xué)會天線分會，2009年全國天線論文集[C].成都：電子工業(yè)出版社，2009：422-425.endprint

圖6 陣列天線各端口仿真電壓駐波比

圖7 陣列天線低頻點(diǎn)仿真輻射方向圖

圖8 陣列天線中心頻點(diǎn)仿真輻射方向圖

圖9 陣列天線高頻點(diǎn)仿真輻射方向圖

圖7～圖9分別為陣列天線工作頻段內(nèi)低頻點(diǎn)、中心頻點(diǎn)及高頻點(diǎn)的仿真輻射方向圖，與圖5理論的計算方向圖作比較可以得到，在低頻點(diǎn)及高頻點(diǎn)副瓣電平抬高了1～2dB，在中心頻點(diǎn)副瓣電平抬高了3dB左右，這是由于理論計算取理想條件所致。陣列天線仿真增益與波束寬度如表1所示，在600 MHz工作頻段內(nèi)，增益均大于20dB，-3dB波束寬度為3°左右，與理論結(jié)果比較一致。

3 結(jié)論

本文研究了X波段高增益帶狀線天線陣的設(shè)計方法。結(jié)合理論分析和工程經(jīng)驗(yàn)，利用Ansoft HFSS軟件仿真設(shè)計了32元的高增益低副瓣帶狀線天線陣列。在設(shè)計過程中，考慮到天線輻射單元間的互耦對陣列天線電氣性能的影響，并通過合理優(yōu)化輻射單元結(jié)構(gòu)有效地降低了互耦對陣列天線的影響。仿真結(jié)果表明：天線在8%的帶寬內(nèi)，電壓駐波比小于1.4，通過合理放置金屬反射板使得陣列增益大于20dB，輻射方向圖副瓣電平均小于-27dB，從而驗(yàn)證了設(shè)計方法的有效性，實(shí)際工程應(yīng)用時，可將多個32元線陣組成面天線陣列，通過連接有源T/R組件與數(shù)字移相器可以組成有源相控陣天線系統(tǒng)，極大地拓廣了本文陣列天線的應(yīng)用范圍。

參考文獻(xiàn)

[1]Edward B， Rees D. A broadband printed dipole with integrated balun[J]. Microwave Journal， 1987：339-344.

[2]David M. Pozar.微波工程[M].張肇儀等譯.北京：電子工業(yè)出版社，2006：271-274.

[3]Taylor， T.T.， Design of Line Source Antennas for Narrow Beamwidth and Low Sidelobes[J].IEEE Trans. on Antennas and Propagation， Vol. AP-3， January 1955：16-28.

[4]袁飛，樂鐵軍，龍小專.陣列天線互耦補(bǔ)償技術(shù)研究[A].中國電子學(xué)會天線分會，2009年全國天線論文集[C].成都：電子工業(yè)出版社，2009：422-425.endprint