一種低剖面寬頻帶微帶天線設(shè)計(jì)

張 宙，李安平，劉松濤

(1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081；2.西安電子科技大學(xué)，陜西 西安 710071；3.國(guó)家無(wú)線電監(jiān)測(cè)中心，北京 100037)

0 引言

針對(duì)衛(wèi)星通信S頻段相控陣天線的低剖面和收/發(fā)寬頻帶工作需求，同時(shí)滿足相控陣天線對(duì)天線單元結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、高效率的一般要求，微帶天線是一種常見的組陣單元形式。它具有重量輕、體積小、剖面低、制造容易、成本低等優(yōu)點(diǎn)[1]。

微帶天線實(shí)現(xiàn)寬頻帶工作的常用做法是使用層疊結(jié)構(gòu)[2-5]，采用上下兩層輻射單元分別對(duì)應(yīng)兩個(gè)不同的諧振頻率，通過(guò)調(diào)節(jié)兩層貼片的尺寸和間距使兩個(gè)諧振頻率相互接近，從而形成通帶相連的雙峰諧振，有效拓展微帶天線的工作帶寬。此外還有采用縫隙耦合饋電展寬帶寬[6]、采用漸變形狀貼片展寬帶寬[7]等方式。天線圓極化的常用實(shí)現(xiàn)方法是采用單饋點(diǎn)饋電和微擾電流的方式，分離得到兩個(gè)幅度相等但相位正交的激勵(lì)。這種單饋點(diǎn)天線的缺點(diǎn)是對(duì)加工誤差敏感，且軸比帶寬較窄，一般不超過(guò)3%(AR<3dB)[8-9]。使用多饋點(diǎn)饋電[10-11]是實(shí)現(xiàn)圓極化的另一種常用做法，與單饋點(diǎn)相比，它需要額外的饋電網(wǎng)絡(luò)為饋電點(diǎn)提供等幅且相位不同(與饋點(diǎn)位置有關(guān))的激勵(lì)電流，天線結(jié)構(gòu)隨著饋點(diǎn)數(shù)增多，復(fù)雜度急劇增加，加工難度也會(huì)增加，但是軸比帶寬隨之變寬。

設(shè)計(jì)了一種采用雙饋點(diǎn)饋電的層疊結(jié)構(gòu)微帶貼片寬頻帶天線，利用正交饋電網(wǎng)絡(luò)提供圓極化所要求的幅度和相位激勵(lì)。利用主饋電貼片、耦合貼片和多層介質(zhì)壓合的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)寬頻帶工作，該天線在19%的帶寬內(nèi)駐波比優(yōu)于1.35，軸比小于3.2dB，且剖面僅為0.028λ0，具有低剖面特點(diǎn)(文獻(xiàn)[4]提出的寬帶低剖面天線的剖面為0.075λ0，文獻(xiàn)[12]提出的寬帶低剖面天線的剖面為0.042λ0)。此天線采用多層板一體化加工方法，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工藝穩(wěn)定，便于加工制造和大批量生產(chǎn)，目前已成功應(yīng)用于衛(wèi)通相控陣天線系統(tǒng)。

1 微帶天線的設(shè)計(jì)

1.1 理論設(shè)計(jì)

天線結(jié)構(gòu)為雙層貼片結(jié)構(gòu)，其中上層貼片為饋電貼片，下層貼片為耦合貼片。天線結(jié)構(gòu)見圖1所示，正交饋電網(wǎng)絡(luò)通過(guò)金屬化通孔給饋電貼片饋電，饋電貼片通過(guò)電磁耦合給耦合貼片饋電。

雙層微帶天線的等效電路如圖2所示，包含兩個(gè)諧振電路，具有兩個(gè)諧振頻率，形成雙峰諧振，當(dāng)兩個(gè)諧振頻率相互接近時(shí)，便可有效展寬天線帶寬。

圖1 微帶天線結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 雙層微帶天線等效耦合電路

其中，G1為饋電貼片的電導(dǎo)，L1為饋電貼片的電感，C1為饋電貼片的電容；G2為耦合貼片的電導(dǎo)，L2為耦合貼片的電感，C2為耦合貼片的電容；Cg為饋電貼片與耦合貼片之間的互耦電容。

微帶天線通常工作于TM01和TM10簡(jiǎn)并模諧振頻率附近，而遠(yuǎn)離其他諧振點(diǎn)，于是根據(jù)圖2的等效電路，其數(shù)學(xué)模型可表示為：

1.2 天線模型

天線單元由上、下兩層貼片和正交饋電網(wǎng)絡(luò)等組成，天線單元主體尺寸為65mm×65mm×3.85mm，厚度僅為0.028λ0，具有低剖面特性，天線單元模型如圖3和圖4所示。

圖3 天線單元模型正面視圖

圖4 天線單元模型背面視圖

上層貼片和下層貼片均采用正方形銅片，下層貼片稍大。上下兩層貼片分別附著在上下基板，上層基板的介電常數(shù)為2.55，下層基板的介電常數(shù)為2.2，厚度均為1.524mm。通過(guò)上下兩層不同尺寸貼片形成雙峰諧振，能夠?qū)崿F(xiàn)寬頻工作。饋電網(wǎng)絡(luò)采用帶狀線形式，便于和微帶天線一體化加工，饋電網(wǎng)絡(luò)層和天線輻射層之間有金屬地，增加兩者之間的隔離度。饋電網(wǎng)絡(luò)通過(guò)兩個(gè)金屬化通孔給天線輻射層饋電，饋電激勵(lì)幅度相同，相位正交，實(shí)現(xiàn)良好圓極化。饋電網(wǎng)絡(luò)采用板內(nèi)埋阻方式實(shí)現(xiàn)分口良好的隔離特性。正對(duì)網(wǎng)絡(luò)合口上部，天線輻射層打盲槽，便于天線單元饋電探針的焊接。整個(gè)天線單元采用多層板壓合，工藝穩(wěn)定，適合大規(guī)模批量化生產(chǎn)。天線單元分層如圖 5所示。

圖5 天線單元分層示意圖

1.3 仿真結(jié)果

考慮組陣效果，對(duì)天線單元在周期邊界條件下進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖 6～圖 9所示。其駐波比在S頻段的1.9-2.3GHz頻帶內(nèi)小于1.35，天線單元在接收和發(fā)射頻段的3dB波束寬度均大于90°，可實(shí)現(xiàn)增益均在3dB以上，整個(gè)通帶內(nèi)軸比小于3.2dB。

圖6 天線單元端口駐波

圖7 天線單元發(fā)射頻段增益

圖8 天線單元接收頻段增益

圖9 天線單元頻帶內(nèi)軸比

2 組陣性能

圖10 陣列仿真模型

利用此單元設(shè)計(jì)了一個(gè)用于衛(wèi)星通信的天線陣列，陣列規(guī)模為4×4，采用矩形布陣，按照陣列掃描±60°能力設(shè)置組陣間距，為了改善相控陣大角度掃描時(shí)的軸比，采用旋轉(zhuǎn)饋電布置，陣列排布如圖 10所示。

為了驗(yàn)證本文的設(shè)計(jì)，加工了天線系統(tǒng)樣機(jī)，集成了T/R組件、饋電網(wǎng)絡(luò)、波束控制和散熱等部分。在微波暗室中對(duì)相控陣天線進(jìn)行了測(cè)試，圖 11和圖 12給出了相控陣天線兩個(gè)切面方向的仿真和實(shí)測(cè)掃描方向圖對(duì)比。

圖11 方位面實(shí)測(cè)掃描方向圖

圖12 俯仰面實(shí)測(cè)掃描方向圖

可以看到實(shí)測(cè)與仿真的掃描方向圖波束指向基本一致。由于陣列較小，掃描60°時(shí)波束實(shí)際指向在48°左右，實(shí)測(cè)與仿真相符；實(shí)測(cè)與仿真法向輻射方向圖吻合良好，掃描方向圖主瓣較為吻合，旁瓣曲線有所差別?？紤]到相控陣天線的測(cè)試環(huán)境、加工誤差、校準(zhǔn)誤差等多種因素影響，實(shí)測(cè)結(jié)果與仿真結(jié)果基本相符，驗(yàn)證了天線設(shè)計(jì)的正確性。

3 結(jié)束語(yǔ)

提出了一種基于疊層結(jié)構(gòu)和雙饋點(diǎn)技術(shù)的低剖面寬頻帶微帶天線，該天線在19%的帶寬內(nèi)駐波比優(yōu)于1.35，軸比小于3.2dB，剖面僅為0.028λ0。天線陣列采用多層板一體化加工工藝，將其應(yīng)用于衛(wèi)星通信相控陣天線中，驗(yàn)證了天線單元設(shè)計(jì)方法的正確性。該天線結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、加工方便、工藝成熟可靠，可廣泛應(yīng)用于各類平臺(tái)的相控陣天線。