饋電網(wǎng)絡(luò)對微帶天線陣列時域散射特性的影響

張雪芹 王均宏 李 錚

(1.防化研究院，北京 102205； 2.北京交通大學(xué)光波所，北京 100044)

1.引 言

由于微帶貼片陣列天線具有體積小、共形性好、可貼在載體表面而不占用額外空間等特點(diǎn)，已在火箭、導(dǎo)彈等高速飛行器的通信和探測系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用，也得到了越來越多的關(guān)注[1-2]。由于目標(biāo)隱身的需要，希望能夠清楚地了解微帶貼片天線的散射具有哪些特性，因此,有不少文獻(xiàn)研究了微帶天線的散射特性。文獻(xiàn)[3]用矩量法計算了矩形貼片的散射，并同實驗結(jié)果進(jìn)行了比較；文獻(xiàn)[4]研究了介質(zhì)覆蓋層對于矩形貼片散射的影響；文獻(xiàn)[5]分析了同軸饋電的矩形微帶天線在脈沖照射時，阻抗以及電流密度的變化情況。通常情況下，天線饋電方式的不同將影響其散射場的能量和峰值及空間分布，如當(dāng)偶極振子天線及其陣列饋電網(wǎng)絡(luò)端接50歐阻抗時，散射脈沖的峰值和能量都會明顯減小[6-7]。微帶天線的饋電方式對于散射場的影響不同于振子陣列天線，它有著自己的特殊性，對微帶天線陣列帶寬和增益也有明顯的影響[8]。本文分析了探針單獨(dú)饋電和微帶網(wǎng)絡(luò)饋電兩種情況對于微帶貼片陣列天線后向散射場的影響，結(jié)果表明：對于微帶陣列天線，普通的微帶饋電網(wǎng)絡(luò)不能用于減小脈沖的散射，必須進(jìn)行一些特殊的設(shè)計。

2.天線結(jié)構(gòu)和計算方法

2.1 天線結(jié)構(gòu)

本文所研究的微帶天線陣列結(jié)構(gòu)如圖1所示。幾何參數(shù)如下：貼片尺寸L×W=36.6 mm×26 mm，貼片之間的間距a=54.9 mm，b=54.6 mm，c=26 mm，d=36.6 mm，地板尺寸Ly×Lz=219.6 mm×187.2 mm，介質(zhì)基片的厚度h=1.6 mm，相對介電常數(shù)εr=2.6.天線的中心工作頻率有兩個(對應(yīng)于兩種饋電模式和極化方向)，分別為2.5 GHz(y方向極化)和3.3 GHz(z方向極化)。

圖1 微帶天線陣列結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 計算方法

3.探針分別饋電對散射場的影響

微帶貼片的輸入阻抗設(shè)計為50歐姆，經(jīng)商用電磁場軟件分析，該矩形微帶貼片天線可工作于兩個頻點(diǎn)，即2.5 GHz和3.3 GHz，分別對應(yīng)于不同的饋電位置和不同的主極化方向。2.5 GHz對應(yīng)于主極化方向ρ=90°(電場平行于貼片的長邊)，ρ為極化角度，為電場與θ方向的夾角；3.3 GHz對應(yīng)于主極化方向ρ=0°(電場平行于貼片的短邊)。在這兩個頻率點(diǎn)，天線的|S11|均小于-20 dB.用FDTD模擬探針饋電時，在每一貼片與地板間饋電點(diǎn)所在位置處加載50歐姆電阻。當(dāng)g=10×109/s的高斯脈沖從θ=90°,φ=0°方向、以ρ=0°極化狀態(tài)入射時，天線陣列的后向散射波形如圖2(看412頁)所示。直覺上，接負(fù)載后貼片電流會減小，相應(yīng)的散射場峰值應(yīng)明顯降低，然而接負(fù)載后散射場的第一個峰值與沒有接負(fù)載時幾乎沒有區(qū)別。利用散射場分離算法，去掉地板的影響后得到圖3(看412頁)所示結(jié)果，對比圖2和圖3可以看出，原來圖2中的第一個很大的峰值主要是由地板的散射產(chǎn)生的，所以不會因為貼片是否接負(fù)載而變化；而去掉地板的影響后再考察圖2中的散射波形時發(fā)現(xiàn)，散射能量和散射波形峰值都有所減小，因為負(fù)載吸收了一部分能量。

圖4(a)為有限大地板微帶天線陣列的散射場頻譜圖，對應(yīng)于圖2中的時域波形。從圖4(a)中不能清楚地看出貼片天線散射的頻譜特征。圖4(b)則是對應(yīng)于圖3中的時域波形的頻譜圖，僅來自于貼片陣列的貢獻(xiàn)。從該圖中可以看出，由于主極化方向?qū)?yīng)于工作頻率3.3 GHz，所以在3.3 GHz附近出現(xiàn)諧振，此時由貼片陣列產(chǎn)生的散射很強(qiáng)，可以與地板的散射相比擬，而接負(fù)載后由于負(fù)載的吸收作用使得散射強(qiáng)度大為減小。對比圖4(a)中的下陷峰和圖4(b)中的上升峰位置以及從圖4(a)中無貼片時的頻譜曲線可以看出：中心頻率處貼片的后向散射場與地板的后向散射場在正面入射時是相互抵消的。在圖4(b)中其他地方?jīng)]有下陷點(diǎn)是由于貼片不諧振，不能產(chǎn)生足夠的散射場以抵消地板的散射場。

(a) 整個陣列

(b) 分離出的貼片的貢獻(xiàn)圖4 微帶陣列散射場頻譜及分離出的貼片的貢獻(xiàn)(θ=90°， φ=0°， ρ=0°)

上面所討論的散射場結(jié)果是在入射脈沖極化方向為ρ=0°、與z軸平行的情況下得到的，因此，無論饋電點(diǎn)的位置對應(yīng)于頻率2.44 GHz還是對應(yīng)于頻率3.3 GHz，天線的散射脈沖的主頻率都在3.3 GHz左右。如果改變?nèi)肷洳ǖ臉O化方向，令ρ=90°，則當(dāng)入射波從θ=90°，φ=0°方向入射時，有限大地板微帶天線陣列的后向散射波形為正負(fù)峰值±0.3 V/m的脈沖信號，與圖2相似。利用散射場分離算法計算后也發(fā)現(xiàn)這一脈沖信號主要是來自地板的貢獻(xiàn)。去除地板和介質(zhì)的散射后，分離出來的微帶貼片陣列的后向散射場在貼片接負(fù)載時峰值和能量都明顯減小，其散射場頻譜圖也表現(xiàn)出了與入射脈沖極化方向為ρ=0°時的散射場相同的特性，如圖5所示，但無論饋電點(diǎn)的位置對應(yīng)于頻率2.44 GHz還是對應(yīng)于頻率3.3 GHz，此時天線的散射脈沖的主頻率都在2.44 GHz左右。

圖5 極化方向ρ=90°時由微帶貼片陣列分離出的貼片的貢獻(xiàn)(θ=90°， φ=0°)

從以上分析發(fā)現(xiàn)，微帶天線陣列通過饋電探針并端接負(fù)載后，其后向散射場的振蕩拖尾大大減小，散射場的峰值和能量都有所減小，尤其是在諧振頻率附近，由貼片所產(chǎn)生的散射場峰值減小到了原來的1/4左右。并且從后向散射頻譜圖發(fā)現(xiàn)，當(dāng)極化方向ρ=0°時貼片產(chǎn)生的后向散射場主要是由微帶貼片的窄邊諧振電流產(chǎn)生，諧振頻率為3.3 GHz，當(dāng)ρ=90°時后向散射場主要是由微帶貼片的寬邊諧振電流產(chǎn)生，諧振頻率為2.44 GHz.不過，需要指出的是這里模擬的通過探針端接負(fù)載的方法實際上與同軸饋電網(wǎng)絡(luò)的情況還是有區(qū)別的，真正的同軸饋電網(wǎng)絡(luò)的情況與下一節(jié)的微帶饋電網(wǎng)絡(luò)的情況是一樣的。

4.微帶饋電網(wǎng)絡(luò)對散射場的影響

對于4×4的微帶陣列天線，利用微帶線饋電方式，同樣要求貼片呈現(xiàn)出50歐姆的輸入阻抗。經(jīng)商用軟件分析得到它的窄邊微帶饋電結(jié)構(gòu)示意圖如圖6所示，寬邊饋電方式與此類似。由于部分微帶饋線很窄，要求FDTD計算過程中選擇較小的網(wǎng)格尺寸。在窄邊饋電時，本文所選網(wǎng)格大小為：Δx=1.22×10-3，Δy=8.00×10-4，Δz=8.70×10-4，這樣所需內(nèi)存超過了2G，因此，采用了計算機(jī)集群和并行FDTD算法[10]。為了分析準(zhǔn)確，在分析過程中用到的所有計算結(jié)果都是在這一網(wǎng)格尺寸下得到的。

圖6 微帶饋電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

從探針饋電情況的分析得知：有限大微帶陣列天線的地板散射在陣列散射中占了主要部分，為了詳細(xì)分析微帶貼片陣列的散射情況，在計算和分析時都將總散射場減去了地板的影響。計算時入射脈沖的極化方向ρ=0°，高斯參數(shù)為g=10×109/s，脈沖入射方向為垂直于微帶陣列天線的方向，即θ=90°，φ=0°。圖7為微帶饋電網(wǎng)絡(luò)末端有無端接負(fù)載時、由貼片單獨(dú)產(chǎn)生的時域散射波形圖比較，從圖中發(fā)現(xiàn)兩者在前期沒有明顯的區(qū)別，但在后期有負(fù)載情況時的平均震蕩幅度要小些。從圖7的頻譜圖也發(fā)現(xiàn)，頻譜分量沒有明顯的變化。為了進(jìn)一步分析，我們在每一個微帶貼片的微帶饋電處都直接接上50歐姆的負(fù)載，這與第3節(jié)探針饋電的情況類似，得到的后向散射場時域波形和頻譜圖如圖8所示。從中發(fā)現(xiàn)接負(fù)載后時域波形幅值減小，從頻譜圖上也能看出在3.3 GHz附近的幅值減小近一半。

圖7 饋電網(wǎng)絡(luò)末端有無端接負(fù)載時貼片單獨(dú)產(chǎn)生的時域散射波形和相應(yīng)的頻譜

圖8 直接在各貼片窄邊接負(fù)載與否時的散射波形和相應(yīng)的頻譜

關(guān)于饋電網(wǎng)絡(luò)末端端接負(fù)載和每個貼片單獨(dú)連接負(fù)載時散射場波形和頻譜不同的現(xiàn)象，可以從頻域阻抗和時域時延兩個方面加以解釋。如果微帶天線陣的饋電網(wǎng)絡(luò)末端端接負(fù)載，實際上是負(fù)載經(jīng)過了幾段傳輸線后再與每個貼片連接。由于在很寬的頻帶內(nèi)天線輸入阻抗與微帶饋線的特性阻抗都不匹配，所以當(dāng)脈沖入射到貼片后，大部分能量直接散射回去，僅有小部分能量進(jìn)入饋線并沿饋線傳輸?shù)截?fù)載端，被負(fù)載吸收。如果沒有接負(fù)載，這部分能量將再次返回貼片輸入端并有一少部分再次經(jīng)貼片輻射出去，但時間上延后。因此，從波形上看，前期類似于開路的情況，這在前面分析中已經(jīng)看到了，而后期則因饋電網(wǎng)絡(luò)末端是否接負(fù)載而有所不同，接負(fù)載的情況后期波形幅度要小些，從圖7中可以看出來。但是，如果直接在每個貼片的饋電處直接接上負(fù)載，那么這一負(fù)載對所有的頻率分量都將產(chǎn)生損耗，而不像饋電網(wǎng)絡(luò)的情況那樣，大多數(shù)頻率分量的信號不能進(jìn)去，只有能進(jìn)饋電網(wǎng)絡(luò)的中心頻率附近的頻率分量才能在網(wǎng)絡(luò)末端產(chǎn)生損耗。所以單元上直接連接負(fù)載的陣列的散射場比不接或通過饋電網(wǎng)絡(luò)連接的情況要小得多。

從以上兩組圖可以看出，由于微帶線饋電屬于窄帶饋電，只在中心頻率附近能夠與貼片的輸入阻抗匹配，在其他頻段難以實現(xiàn)匹配，因此，對于頻譜較寬的入射脈沖起不到多大吸收能量減小散射的作用。所以窄帶饋電網(wǎng)絡(luò)天線陣列得到的脈沖散射波形與有沒有接負(fù)載關(guān)系不大。這也說明對于微帶陣列天線，普通的微帶饋電網(wǎng)絡(luò)不能用于減小脈沖的散射，必須要進(jìn)行一些特殊的設(shè)計。

5.結(jié) 論

本文研究表明，有限大的微帶陣列天線的散射場主要是由地板產(chǎn)生的，并且微帶貼片陣列的諧振頻率與入射脈沖的極化方向有關(guān)，因此，不同的極化方向?qū)?yīng)于不同峰值的散射頻譜。根據(jù)本文研究的探針和微帶兩種饋電方式下散射場的特性發(fā)現(xiàn)，對每個貼片單獨(dú)接負(fù)載時，單獨(dú)由微帶貼片陣列產(chǎn)生的后向散射場峰值和能量都大大減小；而對于采用饋電網(wǎng)絡(luò)饋電并在饋電網(wǎng)絡(luò)輸入端接負(fù)載時，對于頻譜很寬的入射脈沖則起不到多少吸收能量減小散射的作用，因為只在中心頻率附近貼片與饋電網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)阻抗匹配，只有其中與中心頻率對應(yīng)的一小部分能量能夠傳輸?shù)浇K端被吸收。

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