新型雙波段共面微帶/波導(dǎo)單脈沖天線設(shè)計

姚鳳薇　田曉青　商遠波

(上海電機學(xué)院電子信息系,上海 201306;2.電磁散射重點實驗室,上海 200438)

?

新型雙波段共面微帶/波導(dǎo)單脈沖天線設(shè)計

姚鳳薇1,2田曉青2商遠波2

(上海電機學(xué)院電子信息系,上海 201306;2.電磁散射重點實驗室,上海 200438)

摘要提出了一種新型共面雙波段單脈沖天線設(shè)計方法,分別給出了兩個頻段的駐波曲線和輻射方向圖的測試結(jié)果．該天線在有限的空間內(nèi)采用小型化邊緣饋電的微帶天線陣列與波導(dǎo)縫隙天線陣列復(fù)合,實現(xiàn)了兩個頻段的單脈沖天線共口徑排布,天線厚度29 mm,重量小于1 kg.測試結(jié)果表明該新型雙波段單脈沖天線能夠在X、K兩個特定頻段下分別得到-19 dB和-22 dB的副瓣性能及38%和45%的輻射效率,實現(xiàn)了與單模相當(dāng)?shù)膯蚊}沖方向圖性能,滿足了未來復(fù)合制導(dǎo)系統(tǒng)對高性能天線的需求.

關(guān)鍵詞共面;單脈沖;雙波段;副瓣

DOI10.13443/j.cjors.2015031901

Design of a new dual-band co-plane microstrip/waveguide monopulse antenna

YAO Fengwei1,2TIAN Xiaoqing2SHANG Yuanbo2

(1.SchoolofElectronicInformationEngineering,ShanghaiDianJiUniversity,Shanghai201306,China;2.ScienceandTechnologyonElectromagneticScatteringLaboratory,Shanghai200438,China)

Abstract A new dual-band co-plane microstrip/waveguide monopulse antenna is presented with its measured voltage standing wave ratio (VSWR) curve and radiation patterns. Based on the development of a new microstrip line array fed at the side and a novel compact slot patch antenna loaded with a pair of spirals, a dual-band co-plane monopulse antenna is realized with 29 mm height and less than 1 kg weight. The measured side-lobe level is lower than -19 dB and -22 dB in X-and K-band and the measured efficiency reaches 38%and 45% respectively, which is in a similar level of single band monopulse antenna. The measured results confirm the validity of this design and this antenna can meet the need of dual mode compound guidance system in future.

Keywordsco-plane; monopulse; dual-band; side-lobe

引言

復(fù)合制導(dǎo)系統(tǒng)具有作用距離遠、抗干擾能力強等優(yōu)點,已成為精確制導(dǎo)武器的重要發(fā)展方向.雙波段單脈沖天線作為復(fù)合制導(dǎo)系統(tǒng)的關(guān)鍵部件,其性能的優(yōu)劣將直接影響系統(tǒng)的抗副瓣截獲、抗雜波等綜合作戰(zhàn)能力,已經(jīng)成為國內(nèi)導(dǎo)彈技術(shù)研究的熱點之一,具有很好的研究前景與實用意義.

傳統(tǒng)的雙波段單脈沖天線采用卡塞格倫天線形式,設(shè)計簡單但縱向尺寸較大,效率較低,不適合彈載及星載應(yīng)用[1-4].近年來,通過研究者的不斷努力,雙頻段單脈沖天線綜合性能逐漸提高,如雙波導(dǎo)復(fù)合的雙頻單脈沖天線,兩頻段天線效率達到40%,但天線厚度為40 mm,重量為1.2 kg[5].波導(dǎo)與微帶復(fù)合的雙頻段單脈沖天線,質(zhì)量較輕,若微帶幅射陣面與和差網(wǎng)絡(luò)共面加工,單元與饋線耦合較大,微帶天線副瓣-10 dB左右[6];若將和差網(wǎng)絡(luò)與微帶陣面分層排布可以解決耦合問題,但微帶天線從中心穿過波導(dǎo)天線向下饋電,會破壞波導(dǎo)天線陣面幅度分布,導(dǎo)致波導(dǎo)天線副瓣性能下降.

本文提出了一種新型的波導(dǎo)微帶復(fù)合天線,采用的小型化邊緣饋電微帶陣列設(shè)計克服了上述問題,在一個空間內(nèi)實現(xiàn)了X波段、K波段雙波段單脈沖天線設(shè)計,該天線質(zhì)量輕,剖面低,經(jīng)過試驗驗證,單脈沖性能優(yōu)越.下面給出分析及測試結(jié)果.

1雙波段天線理論設(shè)計

雙頻單脈沖天線中X波段微帶輻射陣面印刷在相對介電常數(shù)εr=2.2,厚度為0.16 cm,介質(zhì)損耗tan為0.000 9的介質(zhì)板上,置于復(fù)合天線最前端.K波段天線采用傳統(tǒng)的波導(dǎo)縫隙天線形式,波導(dǎo)天線表面充當(dāng)微帶板的接地面.微帶天線單元與波導(dǎo)輻射縫隙交叉排列,串聯(lián)的邊饋微帶天線通過饋電同軸在陣面邊緣與波導(dǎo)功分和差網(wǎng)絡(luò)連接,避免了從波導(dǎo)陣列中心向下打孔對其陣面幅度分布的影響.

1.1X波段天線設(shè)計

1.1.1微帶天線單元設(shè)計

傳統(tǒng)的微帶天線單元諧振尺寸與頻率成正比,為了能與波導(dǎo)輻射縫隙交叉排列必須對天線單元進行小型化設(shè)計.

在微帶天線小型化設(shè)計中,表面加載縫隙是天線尺寸減縮的有效方法之一[7-8].如圖1所示,本設(shè)計在貼片左右對稱加載了兩個縫隙,縫隙切斷了原先的表面電流路徑,使電流繞槽邊曲折流過而路徑變長,相當(dāng)于增加了天線的有效尺寸,使天線諧振頻率降低,實現(xiàn)了單元小型化設(shè)計.

(a) 矩形貼片天線

(b) 自加載小型化微帶天線圖1　天線單元表面電流分布示意圖

考慮到微帶板安裝的平整度,最初選用2 mm厚的介質(zhì)板,但采用Ansoft HFSS計算時發(fā)現(xiàn)厚的介質(zhì)板會降低下層波導(dǎo)縫隙天線的輻射效率,綜合考慮,最終選取了1.5 mm厚的介質(zhì)板.但當(dāng)介質(zhì)板厚度降為1.5 mm時,金屬貼片與地板之間的電容增強,輸入阻抗偏容性,微帶單元阻抗失配,因此必須引入新的電感分量來補償由于厚度變薄帶來的電容增強.基于上述分析,如圖1(b)所示，本設(shè)計在貼片單元兩端自加載了兩個簡單的螺旋電感,輸入阻抗的感性分量得到了有效補償.

根據(jù)計算本設(shè)計給出的自加載縫隙微帶天線單元比普通矩形貼片減小了40%,阻抗帶寬為5.1%[9].

1.1.2邊緣饋電的微帶天線陣列設(shè)計

如圖2所示,天線方位面采用串聯(lián)饋電形式,陣列從邊緣饋電,陣列中心短路.短路點距最近的貼片距離為四分之一介質(zhì)波長,相當(dāng)于電磁波從饋電點饋入到短路點反射后與之前的能量同向疊加.每個單元的幅度大小通過添加四分之一阻抗變換段調(diào)節(jié).由于陣列中心短路,改變了陣列的輸入阻抗,因此饋電點處添加了阻抗匹配枝節(jié).考慮到微帶網(wǎng)絡(luò)的損耗較大,天線俯仰面采用波導(dǎo)功分網(wǎng)絡(luò),通過饋電同軸在陣面邊緣與每個微帶線陣連接.

圖2　邊緣饋電的微帶天線線陣示意圖

1.2K波段天線設(shè)計

K波段天線采用諧振式波導(dǎo)縫隙天線形式,每個縫隙的中心間距取λg/2(λg為導(dǎo)波長),為了實現(xiàn)高效率,每根波導(dǎo)終端短路,形成駐波陣.

由于縫隙天線表面加載了介質(zhì)板,在縫隙天線計算時需考慮介質(zhì)板的厚度和介電常數(shù)帶來的影響.在Ansoft HFSS 軟件中建立如圖3所示模型,該段波導(dǎo)用空氣填充,表面加載厚1.5 mm介電常數(shù)2.2的介質(zhì)板,波導(dǎo)總長3λg/4,距離縫隙中心λg/4是波導(dǎo)的終端短路板,另一端距離縫隙中心λg/2處為激勵波端口.根據(jù)陣面的幅度分布大小確定每個縫隙的導(dǎo)納值,可以計算出每個縫隙的偏移量和長度[10].

圖3　單個縫隙計算模型

1.3雙波段天線設(shè)計

X/K雙頻段復(fù)合天線口面分別采用-25 dB和-35 dB的Taylor口徑分布,分層模型如圖4(a)所示.小型化后的微帶邊饋陣列與波導(dǎo)縫隙陣列交叉排列實現(xiàn)雙頻段天線的共口徑排布,兩天線極化相同.

如圖4(b)所示,兩頻段和差網(wǎng)絡(luò)均采用波導(dǎo)結(jié)構(gòu),每個和差器由4個波導(dǎo)魔T構(gòu)成,在將天線的陣面劃分成4個象限后,利用魔T的正交特性信號經(jīng)和差比較器產(chǎn)生和信號、方位差信號與俯仰差信號.為了合理空間布局,K波段和差網(wǎng)絡(luò)在中心排布,X波段天線和差網(wǎng)絡(luò)排布在陣列邊緣一周.

加工得到的雙頻段復(fù)合天線厚度29 mm,重量小于1 kg.

(a) 天線分層圖

(b) 兩頻段和差網(wǎng)絡(luò)分布圖圖4　雙波段天線結(jié)構(gòu)示意圖

2天線測試結(jié)果分析

對加工好的雙頻段單脈沖天線進行了測試,駐波系數(shù)曲線如圖5、6所示,X波段天線在所要求的頻帶內(nèi)小于2.0,K波段天線在所要求的頻帶內(nèi)小于1.6.

圖5　X波段天線駐波系數(shù)實測曲線

兩波段中心頻率測試方向圖如圖7、8所示,由于受到X波段高次模的影響,K波段天線方位面和俯仰面在±45°左右副瓣均有抬高,實際測得的中心頻率副瓣低于-22 dB,零深小于-30 dB,輻射效率為45%.

X波段天線測試得到的副瓣低于-19 dB,零深小于-28 dB,輻射效率為38%.在安裝中,饋電同軸通過螺釘與下層俯仰面功分網(wǎng)絡(luò)固定連接,安裝帶來的不一致在相鄰微帶線陣間引入了一定的相差,因此導(dǎo)致X波段天線副瓣和效率性能略有下降,可以通過改進結(jié)構(gòu)來減小安裝帶來的相位差,這尚待研究.

(a) 方位面

(b) 俯仰面圖7　K波段天線中心頻率和差方向圖

(a) 方位面

(b) 俯仰面圖8　X波段天線中心頻率和差方向圖

3結(jié)論

通過提出小型化自加載微帶天線單元、邊緣饋電微帶天線陣列等新型設(shè)計,實現(xiàn)了一種X和K雙波段單脈沖復(fù)合天線設(shè)計,解決了現(xiàn)有雙頻段天線中縱向尺寸大、質(zhì)量大、綜合性能較差的問題.根據(jù)測試K波段和X波段天線副瓣、零深、效率等關(guān)鍵性能與單頻單脈沖天線性能相當(dāng).這種新型的復(fù)合形式充分發(fā)揮了波導(dǎo)陣列天線和微帶陣列天線的各自優(yōu)點,滿足復(fù)合制導(dǎo)系統(tǒng)對高性能天線的需求．

參考文獻

[1]陳勇. 多波段共面天線研究[J].微波學(xué)報,2006, 22(4):43-45.

CHENG Y. The study on multi-band co-planar antenna[J].Journal of microwave,2006, 22(4): 43-45.(in Chinese)

[2] 張文濤, 蒙喜球. 彈載雙波段共面單脈沖天線的設(shè)計[J].航空兵器, 2007(4): 34-36.

ZHANG W T, MENG X Q. Design of monopulse dual-band antenna with common reflector of missile[J]. Aero weaponry, 2007(4): 34-36. (in Chinese)

[3] 吳翔. 共反射面雙頻段單脈沖饋源設(shè)計 [J]. 微波學(xué)報, 2004, 20(3): 47-50.

WU X. Design of mono-pulse dual-band feed with common reflector [J].Journal of microwave, 2004, 20(3): 47-50.(in Chinese)

[4] 張鳳林, 劉玉杰. L/S雙頻段圓形陣列單脈沖拋物面天線[J]. 電子與信息學(xué)報, 2007,29(11): 2743-2746.

ZHANG F L, LIU Y J. L/S dual bands monopluse paraboloid antenna [J]. Journal of electronics & information, 2007, 29(11): 2743-2746. (in Chinese)

[5] LIU Y Y, YAO F W. Co-aperture dual-band waveguide monopulse antenna [C]//Proceedings of The International Symposium on Antenna and Propagation. Nanjing, October 23-25, 2013:685-688.

[6] JAHAGIRDAR D R.Novel X+Ku Dual band monopulse array antenna[C]//Antennas and Propagation Society International Symposium, July 8-14, 2012:1-2.

[7] 韓國棟, 顧長青. 加載十字分形縫隙的小型化微帶天線[J].電波科學(xué)學(xué)報, 2008, 23(2): 247-251.

HAN G D, GU C Q. Quasi-siepinski carpet microwave antenna with cross fractal slots[J]. Journal of radio science, 2008, 23(2):247-251.(in Chinese)

[8] 姚鳳薇, 鐘順時. 新型帶扇形饋源的寬帶縫隙天線[J], 電波科學(xué)學(xué)報, 2005, 20(5): 675-677.

YAO F W, ZHONG S S. A new broadband slot antenna with a fan-shaped microstrip [J]. Journal of radio science, 2005, 20(5): 675-677. (in Chinese)

[9] YAO F W, XUAN X B. A novel monopulse edge-fed microstrip array[C]//5th International Symposium on Microwave Antenna Propagation and EMC Technologies for wireless communications, October 29-31,2013:197-199.

[10]王宏建.星載Ku波段波導(dǎo)縫隙天線的縫隙特性分析[J].電波科學(xué)學(xué)報,2012,27(6):1225-1231.

WANG H J. Slot characterization of space-borne waveguide slots array in Ku band[J]. Journal of radio science, 2012, 27(6):1225-1231. (in Chinese)

姚鳳薇(1979-),女,安徽人,博士,主要研究方向為微帶天線智能天線和電磁場理論等方面的研究．

田曉青(1987-),女,江蘇人,碩士,主要研究方向為微帶天線、微波電路等．

商遠波(1981-),男,山東人,碩士,主要研究方向為波導(dǎo)天線和多頻復(fù)合天線設(shè)計．

作者簡介

中圖分類號TN821

文獻標志碼A

文章編號1005-0388(2016)01-0180-05

收稿日期：2015-03-19

姚鳳薇, 田曉青, 商遠波. 新型雙波段共面微帶/波導(dǎo)單脈沖天線設(shè)計[J]. 電波科學(xué)學(xué)報,2016,31(1):180-184.DOI: 10.13443/j.cjors. 2015031901

YAO F W, TIAN X Q, SHANG Y B. Design of a new dual-band co-plane microstrip/waveguide monopulse antenna[J]. Chinese journal of radio science,2016,31(1):180-184. (in Chinese). DOI: 10.13443/j.cjors.2015031901

資助項目: 國家自然科學(xué)基金(61201116)

聯(lián)系人： 姚鳳薇 E-mail：jojoyao@163.com