用于提升有限口徑輻射功率的緊耦合相控陣天線的設(shè)計(jì)*

童三強(qiáng) 王秉中 王任

(電子科技大學(xué), 應(yīng)用物理研究所, 成都 611731)

(2021 年2 月9 日收到; 2021 年4 月21 日收到修改稿)

1 引 言

隨著軍事和民事上對(duì)遙感、空間探測(cè)的需求日益增大, 對(duì)電磁波的傳輸距離提出了很高的要求.提升電磁波的輻射功率, 可以增加電磁波的傳輸距離. 近年來, 科研人員對(duì)提升電磁波的輻射功率進(jìn)行了廣泛研究[1-4].

天線的作用是將電磁波輻射進(jìn)入自由空間. 傳統(tǒng)上, 可以通過增大信號(hào)源功率以提升天線的輻射功率, 然而受物理機(jī)制、加工工藝等因素影響, 信號(hào)源功率增幅有限[5]; 也可以通過增大天線的輻射口徑以增大輻射功率, 然而由于裝配環(huán)境的限制,輻射口徑不可能無限制增大, 因此對(duì)有限口徑的利用就顯得尤為重要.

相控陣天線能夠充分利用輻射口徑. 一方面,通過將天線單元組成陣列, 天線陣有更好的輻射方向性; 另一方面, 相控陣天線波束可以靈活偏轉(zhuǎn),使得輻射電磁波可以覆蓋更多區(qū)域.

目前對(duì)相控陣天線的研究主要集中在帶寬提升和掃描范圍擴(kuò)大上. Munk[6]在2003 年提出的緊耦合天線陣在近20 年得到了巨大發(fā)展, 和傳統(tǒng)相控陣天線相比, 緊耦合天線陣具有很寬的帶寬和較大的掃描范圍. 文獻(xiàn)[7]中設(shè)計(jì)的緊耦合天線陣?yán)灭伨€地板帶過孔的Marchand 巴倫和頻率選擇表面匹配層, 在6.2∶1 (0.5—3.1 GHz)的帶寬內(nèi)、天線單元有源駐波比小于3.2 的標(biāo)準(zhǔn)下, 實(shí)現(xiàn)了E 面75°和H 面60°的掃描性能. 文獻(xiàn)[8]中設(shè)計(jì)的緊耦合天線陣?yán)梦?槽線的饋電結(jié)構(gòu)和多層頻率選擇表面匹配層, 在5∶1 (1—5 GHz)的帶寬內(nèi)、天線單元有源駐波比小于3 的標(biāo)準(zhǔn)下, 實(shí)現(xiàn)了E 面70°和H 面70°的掃描性能.

然而, 關(guān)于有限口徑輻射功率的提升很少有學(xué)者進(jìn)行研究. 本文從影響有限口徑輻射功率的因素進(jìn)行分析, 設(shè)計(jì)了一個(gè)可用于提升有限口徑輻射功率的緊耦合相控陣天線, 并對(duì)天線陣進(jìn)行了加工和測(cè)試. 仿真和測(cè)試結(jié)果表明, 在1.7—5.4 GHz 的帶寬內(nèi)、天線單元有源駐波比小于2 的標(biāo)準(zhǔn)下, 天線陣能實(shí)現(xiàn)E 面65°、H 面45°和D 面60°的掃描性能, 測(cè)試結(jié)果和仿真結(jié)果具有良好的一致性. 和文獻(xiàn)中的其他設(shè)計(jì)相比, 按相同輻射口徑面積換算,本文設(shè)計(jì)的天線陣具有更高輻射功率.

2 有限口徑下提升輻射功率的天線單元設(shè)計(jì)和仿真

假設(shè)一個(gè)輻射口徑面積為S的相控陣天線, 每個(gè)單元分配的面積為A, 總的單元個(gè)數(shù)為S/A. 每個(gè)單元的輸入功率(從發(fā)射機(jī)經(jīng)過功率放大器等器件到天線端口的功率)為Pin,η為天線陣的輻射效率(包含回波損耗、介質(zhì)損耗和歐姆損耗), 則該天線陣的輻射功率為Pinη(S/A) . 由此可見, 有限口徑下, 天線陣的輻射功率和單元輸入功率、單元個(gè)數(shù)、輻射效率等因素密切相關(guān). 由于天線單元輸入功率受限, 通過不斷增加單元輸入功率存在困難,因此, 在有限口徑下布置更多單元、同時(shí)提高天線陣的輻射效率成了現(xiàn)實(shí)可行的提升有限口徑輻射功率的選擇. 通過在有限口徑下布置更多單元, 一方面, 輸入功率平均分配到每個(gè)單元, 使得每個(gè)單元的輸入功率更小, 能夠有效避免單元因?yàn)檩斎牍β蔬^大引起介質(zhì)擊穿、接頭擊穿等現(xiàn)象; 另一方面,由于單元個(gè)數(shù)增加, 通過功率合成, 易于實(shí)現(xiàn)更高的輻射功率. 通過提升天線陣輻射效率, 能將輸入功率更大程度轉(zhuǎn)化成輻射功率.

在有限口徑下布置更多單元, 意味著單元尺寸要盡量小. 緊耦合天線陣的單元間距小于0.5λhigh[9],便于緊湊化設(shè)計(jì). 同時(shí), 可以采用高介電常數(shù)介質(zhì)基板和緊湊型微帶-共面帶線的巴倫使得天線單元小型化[10].

天線陣輻射效率的提高, 意味著損耗要減小.采用低損耗的介質(zhì)基板減小介質(zhì)損耗, 采用兩層雙面的頻率選擇表面匹配層改善天線陣和自由空間的阻抗匹配[7], 通過參數(shù)調(diào)整改善巴倫和天線的阻抗匹配, 從而提升天線陣的輻射效率.

2.1 天線單元設(shè)計(jì)

緊耦合天線陣?yán)门R近單元的電容耦合, 抵消低頻時(shí)來自地板的電感, 天線陣低頻的性能表現(xiàn)得到改善, 從而具有較寬的阻抗帶寬. 緊耦合天線單元一般由三個(gè)部分組成: 寬帶巴倫、偶極子輻射單元和寬帶寬角匹配層. 其中, 寬帶巴倫起著平衡饋電的作用, 同時(shí)也起著饋電端和偶極子輻射單元的阻抗匹配的作用; 寬帶寬角匹配層主要用于改善天線陣在大角度掃描時(shí)的性能表現(xiàn).

緊耦合天線陣在E 面掃描時(shí)具有較寬的阻抗帶寬, 在H 面掃描時(shí)的阻抗帶寬較窄. 因此, 在設(shè)計(jì)時(shí), 先優(yōu)化天線陣在E 面掃描時(shí)的性能, 再加上寬帶寬角匹配層改善天線陣在H 面掃描時(shí)的性能.天線單元設(shè)計(jì)的具體步驟如下:

1) 根據(jù)設(shè)計(jì)天線的最高工作頻率和介質(zhì)基板相關(guān)參數(shù)(介電常數(shù)和厚度), 確定天線單元間距;

2) 根據(jù)天線單元間距, 設(shè)計(jì)出滿足寬帶饋電和阻抗變換需求的緊湊型巴倫;

3) 調(diào)節(jié)耦合貼片寬度和偶極子輻射單元離地板的高度, 改善天線陣在E 面寬角掃描時(shí)的性能;

4) 加載兩層雙面的匹配層, 經(jīng)過參數(shù)優(yōu)化, 改善天線陣在H 面寬角掃描時(shí)的性能.

本文設(shè)計(jì)的天線單元結(jié)構(gòu)如圖1 所示, 由微帶-共面帶線的巴倫、偶極子單元、兩層雙面的匹配層共三部分組成. 介質(zhì)基板型號(hào)為Rogers 6110,介電常數(shù)10.2, 損耗正切0.0023, 厚度0.64 mm.偶極子兩臂印制在介質(zhì)基板的兩面, 便于臨近單元進(jìn)行電容耦合. 天線單元相關(guān)的參數(shù)在圖1(a)中標(biāo)示, 具體數(shù)值為:A= 29.3 mm,B= 8 mm,C=3.7 mm,D= 0.8 mm,E= 3.2 mm,F= 4.2 mm,G= 3 mm,H= 2.5 mm,I= 2.2 mm,J=2.2 mm,K= 3.7 mm,L= 0.8 mm,W1=0.4 mm,W2= 0.3 mm,W3= 0.2 mm,W4=0.6 mm,W5= 0.6 mm,L1= 3.5 mm,L2=3.5 mm,L3= 1.8 mm,L4= 2 mm,L5= 2.5 mm,Gap=0.8 mm. 天線單元在x和y方向周期均為0.144λhigh, 高度為29.3 mm (約為0.166λlow, 其中λlow為自由空間中最低工作頻率對(duì)應(yīng)的波長).

圖1 天線單元結(jié)構(gòu) (a) 前視圖(紅色饋線下方的地板被移除); (b) 后視圖Fig. 1. Unit Cell of the TCDA: (a) Front view of the unit cell (the ground of the red parts is etched); (b) back view of the unit cell.

2.1.1 寬帶巴倫的設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的天線單元采用了加載空氣補(bǔ)償?shù)奈?共面帶線的巴倫, 結(jié)構(gòu)如圖1(a)所示. 巴倫的紅色饋線部分下方地板被移除, 通過這種空氣補(bǔ)償?shù)姆绞? 可以產(chǎn)生新的諧振點(diǎn), 新的諧振點(diǎn)和原來的諧振點(diǎn)離得很近時(shí), 可以拓寬巴倫的工作帶寬[11]. 從圖2 中的仿真結(jié)果可以看出, 采用空氣補(bǔ)償?shù)陌蛡愊啾扔谖床捎每諝庋a(bǔ)償?shù)陌蛡惥哂懈鼘挼墓ぷ鲙? 此外, 由于天線單元要求占據(jù)較小的口徑面積, 經(jīng)優(yōu)化設(shè)計(jì), 減小L3的值, 使得巴倫結(jié)構(gòu)更為緊湊.

圖2 紅色饋線下方地板未移除和地板移除時(shí)巴倫的反射系數(shù)Fig. 2. Reflection coefficients of the balun with and without the etched ground of the red feeding parts.

2.1.2 寬帶寬角匹配層的設(shè)計(jì)

相控陣天線掃描時(shí), 天線單元的輻射電阻隨著掃描角度的變化而變化. 一般在天線上方放置一塊介質(zhì)匹配層, 使得天線陣和自由空間有更好的阻抗匹配[12], 以改善天線陣的寬角掃描性能. 周期結(jié)構(gòu)的頻率選擇表面匹配層可以替代傳統(tǒng)的笨重且昂貴的介質(zhì)匹配層. 周期結(jié)構(gòu)的頻率選擇表面可視為超材料的一種, 其等效相對(duì)介電常數(shù)和相對(duì)磁導(dǎo)率可以根據(jù)文獻(xiàn)[13]計(jì)算求得. 從圖3 可以看出, 天線陣加載兩層雙面的頻率選擇表面匹配層,和無匹配層加載時(shí)相比, 在H面掃描時(shí)具有更好的阻抗匹配表現(xiàn).

圖3 無限大陣列有加載和無加載匹配層在H 面45°掃描時(shí), 天線單元有源駐波比Fig. 3. Active VSWRs of the unit cell at 45° scanning in the H plane in infinite array simulation with and without frequency selective surfaces.

2.2 無限大陣列仿真結(jié)果

2.2.1 交叉極化比

圖4(a)是無限大陣列在不同平面不同角度掃描時(shí)的交叉極化比. 可以看出, 在邊射和H面45°掃描時(shí), 在大多數(shù)頻段, 交叉極化比均小于–15 dB;在E面65°掃描時(shí), 在大多數(shù)頻段, 交叉極化比均小于–20 dB. 同時(shí)也注意到, 在邊射、E面65°、H面45°和D面60°掃描時(shí), 隨著頻率的升高, 交叉極化變差. 這是因?yàn)? 1) 偶極子的兩臂印制在介質(zhì)基板的兩面, 電場和天線所在的平面不平行, 垂直于天線所在平面存在電場分量, 頻率越高, 交叉極化惡化越嚴(yán)重, antipodal Vivaldi 天線也有類似表現(xiàn)[14]; 2) 天線單元之間間距較小, 導(dǎo)致沿著H面的臨近單元(y方向)會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)耦合, 如圖4(b)所示, 這些強(qiáng)耦合會(huì)惡化交叉極化水平, 頻率越高,耦合越強(qiáng), 交叉極化惡化越嚴(yán)重.

圖4 無限大陣列交叉極化水平 (a) 在不同面不同角度掃描時(shí)的交叉極化比; (b) 在3 GHz 邊射時(shí), 天線口徑面電場分布Fig. 4. Cross polarization level in infinite array simulation:(a) Cross polarization ratio at different angles scanning in different planes; (b) electric field on radiation aperture at 3 GHz.

2.2.2 輻射效率圖5 給出了無限大陣列在不同平面不同角度掃描時(shí)的輻射效率. 在邊射時(shí), 陣列效率最低值為67%, 在大多數(shù)頻段, 效率均大于75%; 在E面65°掃描時(shí), 在大多數(shù)頻段, 效率均大于70%; 在H面45°掃描時(shí), 在大多數(shù)頻段, 效率均大于75%;在D面60°掃描時(shí), 在大多數(shù)頻段, 效率均大于65%. 然而, 在高頻情況下, 在H面45°和D面60°掃描時(shí), 天線陣輻射效率變低, 這是由于在高頻時(shí)巴倫的阻抗匹配變差所致.

圖5 無限大陣列在邊射、E 面65°、D 面60°和H 面45°掃描時(shí), 天線陣的輻射效率Fig. 5. Radiation efficiency of the proposed antenna array at broadside, 65° scanning in the E plane, 45° scanning in the H plane and 60° scanning in the D plane.

2.2.3 天線單元有源駐波比

從圖6 可以看出, 無限大陣列在邊射、E面65°、H面45°和D面60°掃描時(shí), 在1.7—5.4 GHz的頻段內(nèi), 天線單元有源駐波比均小于2, 說明該陣列具有寬帶寬角掃描性能, 同時(shí)保持良好的阻抗匹配.

圖6 無限大陣列在邊射、E 面65°、H 面45°和D 面60°掃描時(shí), 天線單元有源駐波比Fig. 6. Active VSWRs of the unit cell in infinite array simulation at broadside, 65° scanning in the E plane, 45° scanning in the H plane and 60° scanning in the D plane.

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及性能對(duì)比

實(shí)際加工的包含256 個(gè)單元的16 × 16 天線陣如圖7(a)所示. 5 mm 厚的銅板作為天線陣的地板, 地板上蝕刻16 條縫隙用于豎直放置16 塊Rogers 6110 的介質(zhì)基板, 地板四個(gè)角上添加了四個(gè)過孔, 方便天線陣安裝在測(cè)試的支架上. 天線陣的總尺寸為12.8 cm × 12.8 cm × 2.93 cm. 測(cè)試裝置和暗室環(huán)境如圖7(b)所示, 測(cè)試裝置包括:128 根由功分器到天線單元的等相位線纜, 19 個(gè)1 分8 的功分器(工作頻段為1—6 GHz, S11<–10 dB), 16 根延時(shí)線. 其中, 延時(shí)線起相位延時(shí)作用, 替代昂貴的移相器. 天線陣E面和H面測(cè)試時(shí), 測(cè)試方案如圖8(a), (b)所示, 位于第1, 2, 3,4, 15, 16, 17, 18 排的單元接50 Ω 匹配負(fù)載, 中間8 排的單元饋電. 天線陣D面測(cè)試時(shí), 測(cè)試方案如圖8(c)所示, 中間128 個(gè)單元饋電, 四周128 個(gè)單元接匹配負(fù)載. 四周單元接匹配負(fù)載可以有效減緩有限陣列的邊界截?cái)嘈?yīng)[15].

圖7 天線陣加工和測(cè)試 (a) 實(shí)際加工的16 × 16 陣列; (b) 測(cè)試裝置和測(cè)試環(huán)境Fig. 7. Antenna array fabrication and measurement: (a) Fabricated prototype of 16 × 16 antenna array; (b) measurement setup and environment.

圖8 測(cè)試方案 (a) E 面; (b) H 面; (c) D 面Fig. 8. Measurement scheme: (a) E plane; (b) H plane; (c) D plane.

3.1 遠(yuǎn)場測(cè)試結(jié)果

在3 和5 GHz 時(shí), 天線陣E面、D面、H面在不同角度掃描時(shí)的測(cè)試和仿真的歸一化方向圖如圖9—圖11 所示. 可以看出, 在低頻時(shí), 天線陣的主波束較寬; 在高頻時(shí), 天線陣的主波束較窄, 這是由于低頻時(shí)天線陣輻射口徑電尺寸較小、高頻時(shí)天線陣輻射口徑電尺寸變大所致. 同樣地, 由于天線陣輻射口徑的電尺寸較小, 在低頻時(shí), 陣列的主波束掃描角度未能到達(dá)最大掃描角度. 采用更大的陣列結(jié)構(gòu), 會(huì)改善這種情況.

圖9 E 面0°, 45°, 65°掃描時(shí)的歸一化方向圖(a) 3 GHz; (b) 5 GHzFig. 9. Normalized radiation patterns at 0°, 45° and 65° scanning in the E plane: (a) 3 GHz; (b) 5 GHz.

圖10 H 面0°, 45°掃描時(shí)的歸一化方向圖(a) 3 GHz; (b) 5 GHzFig. 10. Normalized radiation patterns at 0° and 45° scanning in the H plane: (a) 3 GHz; (b) 5 GHz.

圖11 D 面0°, 45°, 60°掃描時(shí)的歸一化方向圖(a) 3 GHz; (b) 5 GHzFig. 11. Normalized radiation patterns at 0°, 45° and 60° scanning in the D plane: (a) 3 GHz; (b) 5 GHz.

隨著掃描角度的增大, 主波束增益遵循cosθ的變化規(guī)律, 因此在大角度掃描時(shí), 主波束增益有一定的下降[16]. 從圖9—圖11 也可以看出, 天線陣的方向圖有一定的不對(duì)稱, 這主要是由于饋電結(jié)構(gòu)的不對(duì)稱所致. 在高頻大角度掃描時(shí), 測(cè)試增益和仿真增益相比有一定下降, 這主要是由接頭、測(cè)試線纜的損耗所致.

天線陣邊射時(shí), 測(cè)試和仿真的同極化增益以及理想口徑增益對(duì)比如圖12 所示. 可以看出, 低頻時(shí), 測(cè)試和仿真的同極化增益和理想口徑增益比較符合; 高頻時(shí), 測(cè)試和仿真的同極化增益和理想口徑增益差異增大, 這是由于在高頻時(shí)交叉極化變差, 線纜和接頭的損耗也變大, 導(dǎo)致同極化增益減小. 在5.4 GHz 時(shí), 測(cè)試的同極化增益比理想口徑增益小2.3 dB.

圖12 天線陣邊射時(shí), 測(cè)試結(jié)果和仿真結(jié)果對(duì)比Fig. 12. Comparisons between measured and simulated results at broadside radiation.

3.2 與文獻(xiàn)中其他設(shè)計(jì)的性能對(duì)比

假設(shè)每個(gè)天線單元輸入功率為1 W, 工作在邊射最高頻率, 按相同輻射口徑(10λhigh× 10λhigh)換算, 文獻(xiàn)[16-21]以及本文設(shè)計(jì)的天線陣輻射功率對(duì)比如表1 所列. 可以看出, 由于本文提出的天線單元具有最小的電尺寸, 因此, 在10λhigh× 10λhigh的口徑下可以布置多達(dá)4822 個(gè)天線單元; 同時(shí),本文設(shè)計(jì)的天線陣具有較高的輻射效率, 最終天線陣輻射功率為4050 W, 是文獻(xiàn)中其他陣列輻射功率的5.5 倍以上.

表1 按相同輻射口徑換算, 不同文獻(xiàn)中天線陣的輻射功率對(duì)比Table 1. Comparisons of radiated power of antenna arrays in literatures on the same conversion size radiation aperture.

需要指出的是, 文獻(xiàn)[16-19]中天線陣的帶寬和掃描角度是在天線單元有源駐波比 < 3 的標(biāo)準(zhǔn)下給出的, 而本文的帶寬和掃描角度是在天線單元有源駐波比小于2 的更優(yōu)標(biāo)準(zhǔn)下給出的.

4 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)了一個(gè)用于有限口徑輻射功率提升的緊耦合相控陣天線. 在有限口徑下布置更多單元和提高天線陣輻射效率均有助于提升有限口徑的輻射功率, 因而采用高介電常數(shù)的介質(zhì)基板和緊湊型巴倫使天線陣小型化; 同時(shí), 改善天線陣和自由空間的阻抗匹配、巴倫和天線的阻抗匹配以及采用低損耗的介質(zhì)基板提高天線陣的輻射效率, 最終天線單元周期僅為0.144λhigh× 0.144λhigh. 天線陣的工作頻段為1.7—5.4 GHz, 在有源單元駐波比小于2 的標(biāo)準(zhǔn)下, 能夠?qū)崿F(xiàn)E面65°、H面45°和D面60°的掃描性能. 實(shí)際加工了一個(gè)16 × 16 天線陣, 仿真和測(cè)試結(jié)果具有良好的一致性. 和文獻(xiàn)中的其他陣列對(duì)比, 按相同輻射口徑面積換算時(shí), 本文設(shè)計(jì)的陣列具有更高的輻射功率, 驗(yàn)證了通過減小單元尺寸、同時(shí)提高天線陣輻射效率, 能夠提升有限口徑的輻射功率.