寬頻帶低剖面微帶天線應(yīng)用

榮志鵬，李麗嫻，邵曉龍，印 倩，張耀丹

(上海航天電子通訊設(shè)備研究所，上海 201109)

0 引言

特殊雷達(dá)對(duì)天線尺寸有嚴(yán)格限制，天線的小型化設(shè)計(jì)顯得格外重要[1]。傳統(tǒng)二次雷達(dá)天線采用微帶陣子的形式，為了降低剖面尺寸，微帶陣子天線已經(jīng)不能滿足實(shí)際使用需求。微帶天線具有剖面薄、體積小、重量輕等優(yōu)點(diǎn)[2-3]。采用L形探針耦合微帶貼片的設(shè)計(jì)方式，降低了剖面高度，縮小了天線尺寸，進(jìn)而減小了雷達(dá)的尺寸；但是微帶天線具有阻抗帶寬窄的缺點(diǎn)，限制了微帶天線的應(yīng)用，L形探針耦合饋電方式還具有寬帶特性，利用探針?biāo)奖叟c貼片形成的電容抵消探針的電感，來提高天線帶寬[4-6]。本文首先介紹了微帶天線的基本原理以及設(shè)計(jì)方法，其次介紹了微帶天線的4種主要的展寬頻帶的技術(shù)，接著設(shè)計(jì)了L形探針耦合微帶貼片單元并設(shè)計(jì)了6元天線直線陣列，最后加工并測(cè)試了直線陣，性能滿足指標(biāo)要求。

1 微帶天線設(shè)計(jì)原理

1.1 工作原理

如圖1所示，矩形微帶貼片尺寸為a*b，介質(zhì)基片厚度h<<λ。

該貼片可以看成寬為a，長(zhǎng)為b的一段微帶傳輸線。沿長(zhǎng)度b方向的終端呈現(xiàn)開路，因而形成電壓波腹，即貼片與接地板之間內(nèi)場(chǎng)的電場(chǎng)強(qiáng)度 |E|最大。一般取b=λm/2，λm是微帶線上波長(zhǎng)。于是b邊另一邊也是電壓波腹。天線的輻射主要由貼片與地板間沿這兩端的a邊縫隙形成[7-9]。等效電路如圖2所示。

圖2 矩形貼片等效電路模型Fig.2 Rectangular Patch Equivalent Circuit Model

1.2 微帶尺寸估算

天線中心頻率為f0，介質(zhì)基片的相對(duì)介電常數(shù)為εr，根據(jù)式(1)可以估算出天線的寬w，即：

(1)

式中，c是光速。天線的長(zhǎng)度L一般取λe/2，λe為介質(zhì)波長(zhǎng)。λe可以由式(2)得到，即：

(2)

考慮邊緣效應(yīng)，實(shí)際L為：

(3)

式中，εe是有效介電常數(shù)；ΔL是等效輻射縫隙寬度[10-12]。它們可利用公式計(jì)算：

(4)

(5)

2 微帶天線寬頻帶技術(shù)

微帶天線固有的缺點(diǎn)是頻帶窄。造成此缺陷的主要原因是其阻抗特性。為了增加微帶天線的阻抗帶寬，目前主要有4種方法[13-15]：

① 降低等效電路的Q值；

② 修改等效電路為多調(diào)諧回路：附加寄生貼片，加載縫隙等；

③ 改進(jìn)饋電方法：電磁耦合饋電、L形探針耦合饋電等；

④ 采用陣列技術(shù)，采用對(duì)數(shù)周期陣結(jié)構(gòu)或行波陣等。

方法1降低等效電路Q值，主要是增大介質(zhì)厚度h，降低介質(zhì)相對(duì)介電常數(shù)εr，但是增大h會(huì)導(dǎo)致剖面增大，而降低εr會(huì)導(dǎo)致微帶貼片尺寸增大。方法2的附加寄生貼片會(huì)導(dǎo)致微帶貼片尺寸增大，加載縫隙會(huì)導(dǎo)致方向圖指向發(fā)生偏移。方法4是采用陣列技術(shù)。這里采用方法3中的L形探針耦合饋電，既能滿足尺寸要求，又能滿足帶寬要求。

3 L形探針耦合微帶貼片的設(shè)計(jì)

天線帶寬為f0-f3，要求天線的駐波在頻帶f0-f3內(nèi)小于1.8，在f1-f2頻帶內(nèi)小于1.5，其中f0

圖3 上層貼片F(xiàn)ig.3 Upper layer patch

圖4 L形探針與貼片的幾何關(guān)系Fig.4 Geometric relationship between L-shaped probe and patch

根據(jù)公式計(jì)算，結(jié)合軟件仿真，微帶貼片尺寸為a*b，泡沫厚度為h，L形探針垂直臂長(zhǎng)度為d，水平臂長(zhǎng)度為m，探針直徑為R。

在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一款6元的天線陣列，如圖5所示。

圖5 天線陣列Fig.5 Antenna array

3.1 仿真結(jié)果

仿真過程中，調(diào)整優(yōu)化各個(gè)參數(shù)值，得到滿足要求的駐波，如圖6所示，為左半邊天線單元各口的駐波。

圖6 天線駐波Fig.6 VSWR of antenna

由圖6可以看出，在f0-f3的頻帶內(nèi)，VSWR<1.8，在f1-f2頻帶內(nèi)駐波小于1.5。

各頻點(diǎn)和、差方向圖如圖7和圖8所示。其中f1

圖7 各頻點(diǎn)方位維和、差方向圖Fig.7 Azimuth directional pattern of each frequency point

圖8 各頻點(diǎn)俯仰維和方向圖Fig.8 Elevation directional pattern of each frequency point

天線陣列各頻點(diǎn)的仿真方向圖性能指標(biāo)如表1所示。

表1 各頻點(diǎn)的仿真方向圖性能
Tab.1 Simulation pattern of each frequency point

頻率/GHz方位波寬/(°)俯仰波寬/(°)增益/dBi差零深/dBf122.275.612.03-26.3fx20.670.212.77-26.6f219.665.313.30-28.3

3.2 實(shí)物加工與實(shí)際測(cè)試結(jié)果

實(shí)物如圖9所示。實(shí)測(cè)駐波如圖10所示。

圖9 天線實(shí)物圖Fig.9 Antenna physical picture

圖10 和口與差口的駐波Fig.10 VSWR of each port

和口與差口的駐波，在f0-f3的頻帶內(nèi)，部分頻段的駐波在1.8～2.0之間；在f1-f2頻帶內(nèi)，部分頻段的駐波在1.5～2.0之間，這是由于相鄰單元之間的間距小，導(dǎo)致隔離較大，對(duì)和口差口的駐波產(chǎn)生影響。在后續(xù)改進(jìn)中，會(huì)適當(dāng)增大相鄰單元之間的距離。

實(shí)測(cè)各頻點(diǎn)和、差方向圖如圖11和圖12所示。

圖11 實(shí)測(cè)各頻點(diǎn)方位維和、差方向圖Fig.11 Actual test of azimuth directional pattern of each frequency point

圖12 實(shí)測(cè)各頻點(diǎn)俯仰維和方向圖Fig.12 Actual test of elevation directional pattern of each frequency point

天線陣列各頻點(diǎn)的仿真方向圖性能指標(biāo)如表2所示。

表2 各頻點(diǎn)的實(shí)測(cè)方向圖性能
Tab.2 Actual test pattern of each frequency point

頻率/GHz方位波寬/(°)俯仰波寬/(°)增益/dBi差零深/dBf124.857.89.41-22.8fx22.866.410.83-39.3f220.262.510.78-33.3

實(shí)測(cè)增益比仿真增益分別低了2.62，1.94，2.52 dB，原因有3點(diǎn)：① 和差網(wǎng)絡(luò)損耗約0.5 dB；② 線纜損耗約0.5 dB；③ 功分器損耗約1.1 dB。

4 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了一款寬頻帶低剖面微帶貼片天線，利用L形探針饋電方式，實(shí)現(xiàn)寬頻帶特性。仿真與實(shí)測(cè)結(jié)果表明，各項(xiàng)參數(shù)均滿足指標(biāo)要求。該天線形式為二次雷達(dá)天線的設(shè)計(jì)提供新的選擇，當(dāng)雷達(dá)要求對(duì)天線的尺寸與重量提出嚴(yán)格要求時(shí)，該天線提供了新的解決方式。目前，該天線已在某型號(hào)雷達(dá)上進(jìn)行應(yīng)用，該設(shè)計(jì)方法也可以為其他雷達(dá)天線設(shè)計(jì)提供參考。L形探針耦合饋電貼片天線的裝配難度大，在裝配過程中發(fā)現(xiàn)探針相對(duì)上層貼片的位置會(huì)有偏差，在后續(xù)的研究中會(huì)改進(jìn)裝配方法，進(jìn)一步提升天線的性能。