一種共口徑雙頻天線陣列設計

趙仁榮, 齊 松, 林嘉宏, 薛佳成, 張 潔

(上海無線電設備研究所,上海201109)

0 引言

現(xiàn)代無線通信系統(tǒng)往往擁有多個工作頻帶,這要求相應的天線具有多頻工作能力[1-3]。同時,為了盡可能減小空間需求,要求天線陣列采用共口徑設計。一種簡單有效的方法是在某一頻率天線陣列陣元間隙中穿插其他頻率的天線,以組成雙頻或多頻陣列。但由于不同頻率天線之間的耦合影響,原本的天線工作頻率可能發(fā)生偏移,需對天線進行修正處理,步驟復雜。濾波天線將濾波器與天線集成在一起,不僅具有普通天線輻射功能,還有一定的濾波性能,能夠減小頻帶外信號對天線的干擾,極大地增加了天線的抗干擾能力[4-8]。這意味著在雙頻天線陣列設計中,可以使用濾波天線作為天線陣列的輻射單元,從而使得兩種不同頻率的天線互不干擾,實現(xiàn)獨立設計,簡化設計步驟。本文提出了一種端射濾波天線結構,雙頻陣列采用三角分布和穿插分布的形式,通過對其子陣列的仿真,分析驗證其陣列設計方式的有效性和可行性。

1 天線單元設計

天線結構如圖1所示。采用級聯(lián)設計的方法,將天線分為兩部分：濾波部分由帶通濾波器和阻抗變換器組成,將天線阻抗變換到50Ω;天線部分為一個印刷偶極子天線,作為天線的輻射單元。由于采用了級聯(lián)式結構,因此天線的設計過程可以分開獨立進行。

圖1 濾波天線結構圖

1.1 濾波器設計

濾波器結構如圖2所示,它由兩個對稱U形諧振器和兩個非對稱U形諧振器組成,基本參數(shù)見仿真表。單個諧振器可以看成彎折的半波長開路諧振器,因此其諧振頻率由其長度確定。兩個外部諧振器作為主要的耦合單元,其耦合系數(shù)k=0.21。內(nèi)部諧振器為弱耦合,主要調(diào)節(jié)濾波器的零點位置,改善通帶性能。內(nèi)部諧振器與外部諧振器以及內(nèi)部諧振器之間的耦合系數(shù)分別為0.055 9和0.024 5[9]。濾波器的輸入端接50Ω的傳輸線,輸出端接印刷偶極子天線。由于偶極子天線的輸入阻抗約為73.2Ω[10],因此輸出端選擇了73.2Ω的傳輸線。輸入端則通過一段梯形阻抗變換線與50Ω傳輸線進行匹配。濾波器的散射參數(shù)仿真結果如圖3所示。其中,低頻濾波器在高頻濾波器的通帶內(nèi)產(chǎn)生了一個傳輸零點,這個零點有利于進一步增加不同頻段天線之間的隔離度。

圖2 濾波部分結構圖

1.2 天線設計

偶極子天線作為一種基本的天線單元,輻射效率高、結構簡單、設計方便。同時,微帶偶極子天線制作在微帶板上,具有加工成本低、易于集成、低剖面等優(yōu)點。一般偶極子天線的單臂長度為四分之一波長,從而構成半波偶極子。為了獲得單向輻射特性,在偶極子后方四分之一波長位置設置反射器。本設計選用偶極子天線作為天線的輻射部分,其結構如圖4所示,圖中虛線部分表示背面的金屬。天線的仿真方向圖如圖5所示。由圖5可知,該偶極子天線具有較寬的波束寬度,其中H面的3 dB波束寬度為199.8°,E面的波束寬度為79.3°。

1.3 濾波天線設計

通過級聯(lián)的方式,分別設計了中心頻率為10 GHz(低頻)和12 GHz(高頻)的濾波天線單元,其結構如圖1所示。兩個不同頻率的天線均采用Rogers 5880作為介質(zhì)基板,尺寸為27 mm×13.8 mm×0.508 mm,其他具體參數(shù)如表1所示。

圖3 濾波器散射參數(shù)仿真結果

圖4 偶極子天線部分結構圖

濾波天線反射系數(shù)和增益的仿真結果如圖6所示。通過仿真結果可以看出,天線具有良好的頻率選擇特性,帶內(nèi)增益平穩(wěn),帶外擁有良好的輻射抑制特性。低頻天線帶內(nèi)最大增益為4.2 dB,高頻天線帶內(nèi)最大增益為3.5 dB。

圖5 偶極子天線方向圖

表1 濾波天線結構參數(shù) 單位為毫米

圖6 濾波天線反射系數(shù)和增益曲線

2 天線陣面分析

圖7為天線陣面結構圖,圖中深顏色表示低頻天線,淺顏色表示高頻天線。為了保證天線沒有柵瓣,采用了三角排布的形式。在30°掃描角的情況下,陣列間距應滿足

式中：λ0為對應頻率的自由空間波長。本文選擇d1=13.8 mm,d2=8.0 mm。由圖7可知,一個高低頻混合組合的天線陣列,可以分割成若干個如右下角虛線框中所示的子陣列。為了減小計算量,僅對虛線框中的子陣列進行隔離效果仿真分析。

圖7 天線陣列結構圖

圖8 非濾波偶極子天線陣列單元散射參數(shù)

圖9 濾波天線陣列單元散射參數(shù)

根據(jù)圖7的排布結構,兩個低頻天線的端口分別記為1、4,高頻天線的端口記為2、3。為了說明濾波天線在天線陣列應用中的優(yōu)勢,對非濾波偶極子天線組成的相同子陣列的性能進行了仿真對比。非濾波天線陣列和濾波天線陣列的S參數(shù)仿真結果分別如圖8和圖9所示。通過圖8可以看出：(1)由于不同頻率天線之間的相互影響,原本應工作于10 GHz的低頻天線,其諧振頻率向高頻偏移。一般情況下,為了補償這種頻偏,需要加大低頻偶極子的臂長,這使得天線的尺寸變大;(2)不同頻率天線間的耦合效果顯著,隔離度差。由圖9可知：陣列中的兩個天線各自工作在設定的頻率中,互不影響,不同頻率間的隔離度達到30 dB以上。

圖10給出了利用方向圖乘法原理仿真的6×6陣列(如圖7)在0°和30°掃描角的情況下E面和H面的方向圖。其中,單元方向圖按圖7所示子陣形式,利用HFSS仿真軟件計算得到。陣列方向圖仿真結果顯示天線陣列具有很好的輻射特性,在30°掃描角的情況下,方向圖在低頻段和高頻段均沒有柵瓣產(chǎn)生。

圖10 天線陣列方向圖仿真結果

3 結論

本文提出了一種共口徑雙頻天線陣列設計方法。該陣列采用濾波天線作為其天線單元,利用濾波天線的頻率選擇特性,極大地提升了不同頻率單元間耦合抑制效果,使得兩種天線單元可以獨立設計;利用三角排布和穿插式陣列設計,有效地利用了天線空間,縮小了陣列面積。