一種新式串行饋電同時(shí)多波束微帶天線的設(shè)計(jì)

趙衛(wèi)標(biāo)，董　濤，韓　琳，王　昕

(北京衛(wèi)星信息工程研究所，北京100086)

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一種新式串行饋電同時(shí)多波束微帶天線的設(shè)計(jì)

趙衛(wèi)標(biāo)，董濤，韓琳，王昕

(北京衛(wèi)星信息工程研究所，北京100086)

針對(duì)較大規(guī)模的串行饋電Blass多波束網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，通過(guò)減少90°耦合器的種類提出了一種簡(jiǎn)化的設(shè)計(jì)方法，利用該方法給出了一種新式的微帶線結(jié)構(gòu)串行饋電同時(shí)多波束網(wǎng)絡(luò)，并以S頻段同時(shí)兩波束的天線為例進(jìn)行了設(shè)計(jì)驗(yàn)證。重點(diǎn)設(shè)計(jì)了串行饋電同時(shí)兩波束網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)以及饋電網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵的組成單元90°耦合器，并對(duì)簡(jiǎn)化帶來(lái)的誤差進(jìn)行了重點(diǎn)的理論和仿真分析，設(shè)計(jì)了與饋電網(wǎng)絡(luò)匹配的天線陣。對(duì)設(shè)計(jì)好的兩波束天線進(jìn)行了實(shí)物加工和測(cè)試，測(cè)試結(jié)果與仿真結(jié)果吻合較好，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的正確性。

Blass網(wǎng)絡(luò)；串行饋電；同時(shí)多波束；90°耦合器

0　引言

隨著武器信息鏈[1]、通信衛(wèi)星等諸多領(lǐng)域的不斷發(fā)展，多目標(biāo)[2]同時(shí)通信的需求也日益迫切。

由于載體平臺(tái)對(duì)天線的體積和重量有嚴(yán)格的限制[3]，若使用多副天線實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)同時(shí)通信，會(huì)增加天線的體積和重量[4]，并且會(huì)對(duì)天線間電磁兼容問(wèn)題及平臺(tái)的可靠性造成影響[5]。采用多波束天線實(shí)現(xiàn)孔徑綜合[6]，即利用一副天線同時(shí)產(chǎn)生多個(gè)波束來(lái)實(shí)現(xiàn)多副天線的功能，可有效解決上述問(wèn)題。

多波束天線的實(shí)現(xiàn)有多種方法，用多波束網(wǎng)絡(luò)加以實(shí)現(xiàn)即是其中的一種[7]。常見(jiàn)的多波束網(wǎng)絡(luò)有Blass網(wǎng)絡(luò)和Butler網(wǎng)絡(luò)等。Butler網(wǎng)絡(luò)只能在固定的指向形成正交的多個(gè)波束[8]，而B(niǎo)lass網(wǎng)絡(luò)則可以在任意的指向形成多個(gè)波束[9]。對(duì)于波數(shù)個(gè)數(shù)要求比較少的較大規(guī)模Blass多波束天線而言，其饋電網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)會(huì)比較復(fù)雜。因此，本文通過(guò)減少90°耦合器的種類對(duì)Blass饋電網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了簡(jiǎn)化，提出了一種新式微帶線結(jié)構(gòu)串行饋電同時(shí)多波束網(wǎng)絡(luò)，并以S頻段同時(shí)兩波束的天線為例進(jìn)行了設(shè)計(jì)驗(yàn)證。

1　多波束饋電網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)

1.1饋電網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

饋電網(wǎng)絡(luò)采用串行饋電方式，結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。饋電網(wǎng)絡(luò)有2個(gè)輸入端口和8個(gè)輸出端口，給1×8的直線天線陣饋電，可以同時(shí)形成2個(gè)波束。

饋電網(wǎng)絡(luò)利用多個(gè)90°耦合器進(jìn)行級(jí)聯(lián)，在圖1中的饋線交叉點(diǎn)處放置90°耦合器，將輸入功率逐級(jí)分配到各個(gè)單元，同時(shí)利用90°耦合器端口的隔離特性增加不同波束之間信號(hào)的隔離度。通過(guò)改變固定移相線的長(zhǎng)度來(lái)改變相位可以控制波束的指向。所以，設(shè)計(jì)串行饋電的饋電網(wǎng)絡(luò)就是通過(guò)仿真設(shè)計(jì)90°耦合器，用設(shè)計(jì)好的耦合器組成整個(gè)饋電網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)調(diào)整固定移相線的長(zhǎng)度調(diào)節(jié)相位來(lái)改變波束指向。

圖1　串行饋電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意

1.290°耦合器的設(shè)計(jì)

微帶結(jié)構(gòu)串行饋電網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)關(guān)鍵在于90°耦合器的設(shè)計(jì)。所設(shè)計(jì)的饋電網(wǎng)絡(luò)需要為1×8的天線陣饋電。為了實(shí)現(xiàn)等幅饋電，原則上需要設(shè)計(jì)功分比分別為1∶7、1∶6、1∶5、1∶4、1∶3、1∶2和1∶1的7種90°耦合器。為了簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，只設(shè)計(jì)了功分比為1∶7的90°耦合器，用來(lái)代替其他功分比的耦合器。

圖2給出了90°耦合器的示意圖。當(dāng)耦合度C和輸入端口阻抗Z0給定時(shí)[10]，可以計(jì)算出耦合器的主線阻抗Za和支線阻抗Zb。

圖2　90°耦合器示意

1.3饋電網(wǎng)絡(luò)的誤差分析

饋電網(wǎng)絡(luò)的簡(jiǎn)化使得饋電網(wǎng)絡(luò)的輸出由等幅饋電變?yōu)榉戎笖?shù)衰減饋電。下面首先定義2個(gè)指標(biāo)：饋電網(wǎng)絡(luò)輸出端口功率泄露比和波束功率利用率，然后分別從這2個(gè)指標(biāo)出發(fā)對(duì)簡(jiǎn)化帶來(lái)的誤差進(jìn)行分析。

假設(shè)簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)中采用的90°耦合器的功分比為1∶(q-1)(q為大于1的正整數(shù))，則饋電網(wǎng)絡(luò)在8個(gè)輸出端口實(shí)際的幅度分布是按冪函數(shù)依次遞減的。波束1和波束2在8個(gè)輸出端口輸出的功率幅度分別滿足式(1)和式(2)。

(1)

(2)

由于90°耦合器的固有特性，波束2饋給饋電網(wǎng)絡(luò)輸出端口i(i=1，2，…，7)的一部分信號(hào)不可避免地會(huì)泄露到輸出端口i+1，對(duì)饋入輸出端口i+1的信號(hào)造成干擾。定義由饋電網(wǎng)絡(luò)輸出端口i泄露到輸出端口i+1的信號(hào)功率與饋入輸出端口i+1的信號(hào)功率之比為饋電網(wǎng)絡(luò)的輸出端口功率泄露比p1，可以推導(dǎo)出p1為：

(3)

波束功率利用率定義為由每個(gè)波束饋入饋電網(wǎng)絡(luò)所有輸出端口的功率之和與輸入該波束的總功率之比。在式(1)和式(2)對(duì)輸出端口功率幅度的計(jì)算中，已經(jīng)默認(rèn)每個(gè)波束的輸入總功率都為單位一。那么每個(gè)波束饋入饋電網(wǎng)絡(luò)所有輸出端口的功率之和即為該波束的功率利用率。波束1與波束2的功率利用率p2和p3分別為：

(4)

(5)

在等幅饋電的網(wǎng)絡(luò)中，理想的波束功率利用率應(yīng)等于1，所以簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò)的波束功率利用率p2和p3也反映了幅度指數(shù)衰減饋電的功率增益與等幅饋電功率增益相比的衰減值。

分析可知，饋電網(wǎng)絡(luò)輸出端口功率泄露比p1與波束功率利用率p2和p3是相互矛盾的。增大q的取值，會(huì)使p1降低(變好)，同時(shí)會(huì)使得p2也降低(變差)，p3則是先升高再降低(在q=4時(shí)取得最大值)。為了使p1取得較低值同時(shí)p2和p3的取值也較大，限制p1小于-6 dB且p2和p3大于50%。滿足上述限制的q取值范圍為6≤q≤10(且q取正整數(shù))。折中考慮，選取q=8，即選取功分比為1∶7的90°耦合器。此時(shí)波束1和波束2的功率利用率分別為65.64%和57.43%，換算成dB值分別為-1.83 dB和-2.41 dB。輸出端口功率泄露比也比較小，等于-7.87 dB。

等幅饋電與簡(jiǎn)化后幅度指數(shù)衰減饋電(q=8)對(duì)應(yīng)的同時(shí)兩波束仿真方向圖對(duì)比如圖3所示。

圖3　同時(shí)兩波束仿真方向圖對(duì)比

由圖3可知，簡(jiǎn)化后的幅度指數(shù)衰減饋電仿真方向圖與等幅饋電的方向圖相比，其位于0°以及33°處的主瓣增益分別下降了-1.90 dB和-2.36 dB，所有副瓣增益的下降值位于-2.13～-1.97 dB之間，所有的零深都稍有升高。由于天線的能量主要集中在主瓣，所以主瓣處的增益下降仿真值與利用波束功率利用率得出的增益下降理論值-1.83 dB和-2.41 dB比較接近。副瓣處的增益下降仿真值處于2個(gè)主瓣處增益下降仿真值之間?？傮w來(lái)看，2種幅度分布對(duì)應(yīng)的方向圖總體趨勢(shì)基本一致。

1.4饋電網(wǎng)絡(luò)的幅相特性分析

由于用功分比為1∶7的90°耦合器代替了其他功分比的耦合器，所以饋電網(wǎng)絡(luò)在8個(gè)輸出端口實(shí)際的幅度分布按指數(shù)函數(shù)依次遞減。波束1和波束2在8個(gè)輸出端口輸出的功率幅度分別滿足式(6)和式(7)。

(6)

(7)

以同時(shí)兩波束指向分別為0°和33°為例進(jìn)行設(shè)計(jì)，在半波長(zhǎng)的陣元間距下對(duì)應(yīng)的陣內(nèi)相位差由式(8)決定。

Δφm=2πdsinθm/λ。

(8)

式中，d為陣元間距；θm為波束指向。經(jīng)計(jì)算0°和33°的波束對(duì)應(yīng)的陣內(nèi)相位差分別為0°和98°。

2　天線陣的設(shè)計(jì)

天線陣是微帶形式的8元線陣。天線單元為S頻段微帶切角開(kāi)槽圓極化形式，采用同軸底饋。

陣元間距對(duì)陣列性能有很大影響。陣元間距過(guò)大會(huì)導(dǎo)致天線陣在大角度掃描時(shí)出現(xiàn)柵瓣[11]。陣元間距過(guò)小又會(huì)增大天線單元之間的互耦[12]，對(duì)陣中單元的端口匹配特性和輻射方向圖造成影響。綜合考慮陣元間距對(duì)柵瓣和單元互耦的影響，選取陣元間距為中心頻率處的半波長(zhǎng)。

選取Taconic的RF-60A介質(zhì)基片(相對(duì)介電常數(shù)為6.15，厚度為1.52 mm)，使用高頻電磁仿真軟件HFSS對(duì)饋電網(wǎng)絡(luò)和天線陣列進(jìn)行仿真優(yōu)化，得到的仿真模型如圖4所示。圖4(a)中的端口a和端口b為2個(gè)波束的輸入端口，端口1～8為饋電網(wǎng)絡(luò)的8個(gè)輸出端口。

圖4　饋電網(wǎng)絡(luò)和天線陣仿真模型

該多波束天線的波數(shù)個(gè)數(shù)具有可擴(kuò)展性，能夠根據(jù)實(shí)際需要通過(guò)增加耦合器的行數(shù)來(lái)增加波束的個(gè)數(shù)，同時(shí)三波束饋電網(wǎng)絡(luò)模型如圖5所示，其中端口a、端口b和端口c為3個(gè)波束的輸入端口，端口1～8為饋電網(wǎng)絡(luò)的8個(gè)輸出端口。

3　仿真與測(cè)試結(jié)果

對(duì)優(yōu)化好的同時(shí)兩波束天線仿真模型進(jìn)行加工實(shí)測(cè)，天線的仿真與實(shí)測(cè)結(jié)果如圖6所示。

圖6(a)、圖6(b)和圖6(c)分別給出了多波束天線2個(gè)波束輸入端口的反射系數(shù)S11和同時(shí)兩波束輻射方向圖的仿真與實(shí)測(cè)結(jié)果比較。由圖6(a)和圖6(b)可知，多波束天線的波束1和波束2輸入端口仿真的阻抗相對(duì)帶寬(S11<-10 dB)分別為7.26%和6.40%，測(cè)試結(jié)果分別為6.91%和6.32%，仿真與測(cè)試曲線趨勢(shì)基本一致。由圖6(c)可知，在中心頻率處天線仿真與測(cè)試方向圖的主瓣基本吻合。

圖6　測(cè)試與仿真結(jié)果

4　結(jié)束語(yǔ)

提出了一種簡(jiǎn)化的多波束網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，并以同時(shí)兩波束的天線為例進(jìn)行了設(shè)計(jì)、優(yōu)化仿真和實(shí)物加工測(cè)試。結(jié)果表明，該天線能夠在S頻段形成同時(shí)兩波束。該多波束天線具有Blass多波束天線的波數(shù)個(gè)數(shù)可擴(kuò)展性，能夠根據(jù)實(shí)際需要增加波束的個(gè)數(shù)，可適用于武器信息鏈、通信衛(wèi)星等領(lǐng)域多目標(biāo)同時(shí)通信的需求。

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趙衛(wèi)標(biāo)男，(1989—)，碩士研究生。主要研究方向:天線技術(shù)。

董濤男，(1975—)，博士，研究員。主要研究方向:相控陣天線理論與技術(shù)。

Design of a Novel Serial Feed Simultaneous Multi-beam Microstrip Antenna

ZHAO Wei-biao,DONG Tao,HAN Lin,WANG Xin

(BeijingInstituteofSatelliteInformationEngineering,Beijing100086,China)

For larger scale serial feed Blass multi-beam networks,complexity is one of its essential problems.A simplified design method is proposed through a reduction in types of 90° couplers,and a novel serial feed simultaneous multi-beam network consisting of microstrips is presented through this method.An S-band simultaneous two-beam antenna is used to verify the structure as an example.Especially,the structure of the serial feed simultaneous two-beam network and the 90° coupler are designed.A theoretical and simulation analysis is made for errors caused by simplification.Then the antenna array matching with the feed network is designed.The two-beam antenna is fabricated and tested.The test result is consistent with the simulated result,which confirms the validity of this design.

Blass network;serial feed;simultaneous multi-beam;90° coupler

10.3969/j.issn.1003-3106.2016.10.14

2016-07-12

科技部國(guó)際科技合作與交流專項(xiàng)基金資助項(xiàng)目(2012DFA11410)。

TN99

A

1003-3106(2016)10-0058-03

引用格式：趙衛(wèi)標(biāo)，董濤，韓琳，等.一種新式串行饋電同時(shí)多波束微帶天線的設(shè)計(jì)[J].無(wú)線電工程,2016,46(10):58-60,72.