一種基于縫隙電磁耦合饋電的印刷振子陣列天線研究

陳 偉，張 敏，郭玉霞，崔炳喆，2，王巖巖

(1.中國空空導(dǎo)彈研究院，河南 洛陽 471009;2.航空制導(dǎo)武器航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 洛陽 471009；3.哈爾濱工業(yè)大學(xué)(威海) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，山東 威海 264209)

0 引 言

在大多數(shù)以飛行器為載體的雷達(dá)和通信設(shè)備中，配置的天線系統(tǒng)通常具有較高的性能指標(biāo)要求；天線不僅要滿足電氣指標(biāo)及輻射指標(biāo)，還需要滿足局域結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、易共形等特性。近年來，隨著空空導(dǎo)彈抗干擾、抗雜波需求不斷提升，對(duì)空空導(dǎo)彈彈載天線設(shè)計(jì)也提出了更高的要求，不僅要考慮天線的抗過載能力、低副瓣特性、電磁兼容性，還需要兼顧成本及結(jié)構(gòu)尺寸要求。研究并設(shè)計(jì)小尺寸、電磁兼容性好、副瓣低、過載能力大的彈載天線對(duì)提升雷達(dá)導(dǎo)引系統(tǒng)性能具有重要意義。

采用縫隙耦合饋電的印刷偶極子天線，具有工作頻帶寬、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、重量輕、易集成等特性，被廣泛應(yīng)用于軍事和通信領(lǐng)域。王燦等人[1]設(shè)計(jì)一種寬帶雙極化印刷振子通信基站天線，該天線具有雙層貼片結(jié)構(gòu)，通過饋電巴倫底部梯形彎曲結(jié)構(gòu)提高了端口隔離度；采用雙臂上端附加短路T形貼片設(shè)計(jì)擴(kuò)展了帶寬。隨后，后磊等人[2]提出了一種基于多諧振的寬頻對(duì)稱振子天線，具有波束指向穩(wěn)定性好、增益高等特點(diǎn)，其巴倫轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使得天線方向圖具有更好的對(duì)稱性。秦冬梅等人[3]提出了一種基于雙面平行帶線結(jié)構(gòu)的印刷偶極子天線，由于采用漸變巴倫饋電結(jié)構(gòu)，該天線具有良好的駐波帶寬，此外通過巴倫結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)不平衡/平衡變換并完成阻抗匹配[4-9]。和傳統(tǒng)的半波振子天線類似，印刷振子天線的巴倫種類很多，設(shè)計(jì)較為復(fù)雜，而且結(jié)構(gòu)和機(jī)械性能的一致性是一個(gè)難題；采用同軸線饋電是一種常見的饋電方式，饋電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，電磁干擾嚴(yán)重，產(chǎn)生較大的電磁兼容性問題[10-11]。近年來，對(duì)印刷振子天線的研究集中在寬頻帶、圓極化、雙極化、小型化、陣列應(yīng)用以及緊耦合等領(lǐng)域[12-18]。其中李蒙等人[19]設(shè)計(jì)了一種可用于5G網(wǎng)絡(luò)的印刷偶極子天線，利用地槽、曲流等技術(shù)增加帶寬，結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜且對(duì)加工精度要求高，工程實(shí)現(xiàn)性較差；常樹茂等人[9]提出了一種傘形印刷振子天線設(shè)計(jì)方案，較好地解決了彈載天線尺寸問題，但需要解決隔離度問題。

針對(duì)空空導(dǎo)彈彈載印刷振子天線電磁兼容性設(shè)計(jì)難題，本文提出了一種基于縫隙電磁耦合饋電的印刷振子陣列天線的實(shí)現(xiàn)方案，設(shè)計(jì)了一種縫隙結(jié)構(gòu)的電磁耦合饋電網(wǎng)絡(luò)，改善了天線陣列的電磁兼容效果。通過引入耦合饋電方式，降低了饋電網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，利用金屬地板屏蔽與隔離方式以提高天線的輻射性能和電磁兼容性能，采用印刷振子天線方式替換傳統(tǒng)的金屬振子達(dá)到降低成本以及工程實(shí)現(xiàn)難度的目的。結(jié)合彈載天線常見波段范圍，優(yōu)化設(shè)計(jì)了一種四單元直線型振子陣列天線，天線實(shí)測(cè)結(jié)果滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)。相對(duì)于傳統(tǒng)的振子天線，考慮工程可行性，設(shè)計(jì)的天線結(jié)構(gòu)更為簡(jiǎn)單，饋電方式易于設(shè)計(jì)，具有較好的工程應(yīng)用價(jià)值[19]。

1 縫隙電磁耦合饋電印刷振子陣列天線的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文提出的基于縫隙電磁耦合饋電的印刷振子陣列天線整體結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。圖1(a)為陣列天線的整體結(jié)構(gòu)圖，天線整體由三層介質(zhì)基板構(gòu)成，最上層為振子輻射器層，中間層為印刷平面巴倫，最下層為饋電網(wǎng)絡(luò)層；圖1(b)為前視圖，圖1(c)為整體結(jié)構(gòu)后視圖，可以看到天線的饋電網(wǎng)絡(luò)的形狀和位置。該天線選擇的微帶電路板的相對(duì)介電常數(shù)為2.65，其中上層介質(zhì)基板厚度為1 mm,中間層、底層介質(zhì)基板厚度均為0.5 mm。

圖1 印刷振子陣列天線的結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of the printed dipole array antenna

利用HFSS軟件對(duì)印刷振子陣列天線進(jìn)行參數(shù)化建模，并對(duì)巴倫和電磁耦合結(jié)構(gòu)進(jìn)行重點(diǎn)設(shè)計(jì)和優(yōu)化。圖2給出了本文設(shè)計(jì)的印刷振子陣列天線的三層介質(zhì)基板結(jié)構(gòu)的模型圖和參數(shù)定義。

設(shè)計(jì)的印刷振子天線的輻射器為印刷半波振子，有四個(gè)相同的單元組成直線陣列，振子的長(zhǎng)度為L(zhǎng)_dipole，寬度為W_dipole；由于對(duì)稱印刷振子為平衡結(jié)構(gòu)，因此需要加入巴倫實(shí)現(xiàn)不平衡到平衡之間的轉(zhuǎn)換，圖2(b)中的介質(zhì)為平面印刷巴倫，它將微帶線的不平衡端轉(zhuǎn)換為平行雙線的平衡端，同時(shí)實(shí)現(xiàn)阻抗變換功能。電磁耦合結(jié)構(gòu)主要由矩形縫隙、上層微帶線和下層微帶線組成，依靠矩形縫隙實(shí)現(xiàn)電磁能量的轉(zhuǎn)換和傳遞，該結(jié)構(gòu)可等效為一個(gè)變壓器模型，其參數(shù)包括縫隙長(zhǎng)度L_slot，縫隙寬度w_slot，微帶線偏離矩形縫隙中心線的位置pos_x_lower，這些參數(shù)根據(jù)阻抗匹配和諧振的要求，采用全波電磁仿真的方法確定其大小。圖2(c)為最下層的饋電功率分配網(wǎng)絡(luò)，本文采用一分二的等功分網(wǎng)絡(luò)，圖中包含了阻抗變換段和調(diào)諧調(diào)配結(jié)構(gòu)。

圖2 印刷振子陣列天線的三層介質(zhì)基板結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure of three-layer dielectric substrate for printed dipole array antenna

2 縫隙電磁耦合饋電設(shè)計(jì)印刷振子陣列天線仿真

本文采用全波電磁仿真軟件對(duì)基于縫隙電磁耦合饋電的印刷振子陣列天線進(jìn)行參數(shù)化建模，并對(duì)天線結(jié)構(gòu)進(jìn)行掃參和優(yōu)化，使天線駐波性能滿足指標(biāo)要求。天線駐波 (VSWR)仿真結(jié)果如圖3所示，在18.7～19.2 GHz范圍內(nèi)VSWR≤2，在18.5～19.4 GHz范圍內(nèi)VSWR≯3。與此同時(shí)，從圖中還可以看出，中心頻點(diǎn)上天線輸入端的電阻約為50 Ω，電抗近似為零，天線處于諧振狀態(tài)。

圖3 天線電路特性仿真結(jié)果Fig.3 Simulation results of circuit characteristics for antenna

基于縫隙電磁耦合饋電的印刷振子陣列天線在中心頻率處的天線輻射方向圖仿真結(jié)果如圖4所示，圖中分別給出了天線E面和H面輻射方向圖。從仿真結(jié)果可知，該印刷振子陣列天線在E面的波束更窄，其中E面波束寬度約為21°，H面波束寬度約為43°；天線增益約為8.9 dBi，而且主瓣方向?yàn)榻凭€極化特性。

圖4 頻率為19 GHz時(shí)的輻射方向圖仿真結(jié)果Fig.4 Simulation results of radiation patterns at the frequency of 19 GHz

為了進(jìn)一步研究結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)基于縫隙電磁耦合饋電的印刷振子陣列天線回波損耗特性的影響，仿真分析了振子長(zhǎng)度、縫隙長(zhǎng)度、縫隙寬度、參數(shù)L_1對(duì)回波損耗的影響，結(jié)果如圖5所示。從圖5中可以看出，天線的諧振頻率隨著振子長(zhǎng)度、縫隙長(zhǎng)度、縫隙寬度和參數(shù)L_1的增加向著低頻移動(dòng)，耦合縫隙的寬度增大時(shí)，諧振效果變好。饋電微帶線偏離中心線的距離越大，諧振點(diǎn)高頻移動(dòng)趨勢(shì)愈加明顯?？傊?，當(dāng)振子長(zhǎng)度為3 mm，縫隙長(zhǎng)度為4.3 mm，縫隙寬度為0.48 mm ，L_1為3 mm，饋電微帶線偏離中心線的距離為1 mm時(shí)，設(shè)計(jì)的基于縫隙電磁耦合饋電的印刷振子陣列天線處于諧振狀態(tài)，效率較高。

圖5 回波損耗隨著結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化規(guī)律曲線Fig.5 Results of the return varying with structure parameters

3 印刷振子陣列天線的加工測(cè)試

基于縫隙電磁耦合饋電的印刷振子陣列天線的設(shè)計(jì)參數(shù)，對(duì)天線進(jìn)行了加工、組裝和測(cè)試。采用微波矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對(duì)加工的基于縫隙電磁耦合饋電的印刷振子陣列天線的駐波特性進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖6所示。由圖6可知，在工作帶寬內(nèi)天線的電壓駐波比都低于2，天線處于諧振狀態(tài)。

圖6 天線電壓駐波比測(cè)試結(jié)果Fig.6 Test results of antenna VSWR

為了進(jìn)一步分析天線性能，對(duì)本文設(shè)計(jì)的印刷振子天線陣列的輻射特性進(jìn)行了測(cè)試。圖7為天線陣列工作在19 GHz時(shí)，輻射方向圖E面和H面實(shí)測(cè)結(jié)果。從測(cè)試結(jié)果可以看出，實(shí)測(cè)結(jié)果與圖4中的天線方向圖仿真結(jié)果基本一致(實(shí)測(cè)方向圖增益比仿真方向圖低0.5 dB)。

圖7 頻率為19 GHz時(shí)的輻射方向圖測(cè)試結(jié)果Fig.7 Test results of radiation patterns at the frequency of 19 GHz

4 結(jié) 論

本文提出了一種基于縫隙電磁耦合饋電的印刷振子陣列天線的實(shí)現(xiàn)方案，采用雙臂印刷振子作為輻射器，利用印刷平面巴倫激勵(lì)平衡振子臂，完成了一種基于縫隙結(jié)構(gòu)的電磁耦合饋電網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)，采用金屬地板屏蔽與隔離方式，提高天線輻射器和饋電網(wǎng)絡(luò)間電磁隔離度，有效改善了天線的輻射性能和電磁兼容性能。設(shè)計(jì)的振子天線陣列采用印刷電路技術(shù)實(shí)現(xiàn)，結(jié)構(gòu)緊湊，成本低廉，適合于工程應(yīng)用。同時(shí)，仿真和優(yōu)化了一個(gè)四單元直線陣列天線，研究天線的結(jié)構(gòu)和參數(shù)，在工作帶寬內(nèi)，天線性能滿足設(shè)計(jì)要求，測(cè)試結(jié)果與仿真一致。本文研究的基于縫隙耦合的陣列天線饋電方案同樣可用于空面、空地彈載天線設(shè)計(jì)，在通信、遙感、自動(dòng)駕駛領(lǐng)域均具有重要的應(yīng)用價(jià)值和借鑒意義。