一種寬頻帶低副瓣陣列天線的工程應(yīng)用研究

屈天瑩，夏冬玉

(北京2861 信箱，北京 100085)

0 引 言

陣列天線可實(shí)現(xiàn)高增益且方向圖可控性好，可以通過精確控制陣列激勵(lì)，產(chǎn)生極低副瓣的方向圖或產(chǎn)生非常接近于選定形狀的方向圖［1］，已廣泛應(yīng)用于通信、雷達(dá)和電子對(duì)抗等無線電系統(tǒng)中［2，3］。然而受到輻射單元自身帶寬、排列間距及互耦等因素的限制，陣列天線尤其是滿足低副瓣特征的陣列天線的工作帶寬受到限制。為適應(yīng)現(xiàn)代電子技術(shù)的飛速發(fā)展，寬頻帶低副瓣陣列天線研制越來越受到關(guān)注并取得很多成果。副瓣電平低于－40 dB ～－50 dB的超低副瓣天線的相對(duì)工作帶寬可達(dá)到10%［4］，副瓣電平低于－37 dB 的相對(duì)工作帶寬達(dá)到25%［5］。

在某通信系統(tǒng)工程中需要設(shè)計(jì)一種寬頻帶低副瓣天線，垂直線極化工作，在相對(duì)工作帶寬為47.62%的頻帶內(nèi)阻抗匹配良好，水平面主波束寬度為30°，增益15 ～17 dBi 以上，且副瓣電平低于－20 dB。

平板反射器陣列天線是一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造方便、工程實(shí)用價(jià)值很大的定向天線。文獻(xiàn)［6］采用等幅同相饋電和互耦抑制等技術(shù)實(shí)現(xiàn)了寬頻帶高增益平板反射器陣列天線研制，VSWR 小于1.5 的相對(duì)工作帶寬達(dá)到66.67%，由于是均勻饋電且單元間距較大，使得副瓣電平較高，特別是E 面方向圖副瓣電平接近－10 dB，無法滿足低副瓣的要求。

根據(jù)某通信系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)要求，研制了一種寬頻帶低副瓣的平板反射器陣列天線。該天線由4 ×3 個(gè)寬帶振子單元組成，橫向子陣和縱向子陣分別采用1 ∶2 ∶1 和1 ∶2 ∶2 ∶1 不等幅功率分配器饋電，頻帶內(nèi)阻抗匹配良好，電壓駐波比小于2，增益可達(dá)15 ～17 dBi 以上，副瓣電平低于－20 dB，相對(duì)工作帶寬達(dá)到51.16%以上，達(dá)到工程設(shè)計(jì)要求并在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)揮了重要作用。

1 理論分析與設(shè)計(jì)

1.1 陣單元數(shù)及排列的確定

為滿足高增益和寬頻帶天線要求，選用由寬頻帶半波偶極子組成的平面陣列，如圖1 所示。

圖1 平面陣列示意圖

該陣列由沿x 軸方向排列的N 個(gè)偶極子和沿z方向排列的M 個(gè)偶極子組成，共有M ×N 個(gè)單元。設(shè)mn 號(hào)單元的激勵(lì)電流為Imnexp(jφmn)，方向圖函數(shù)為fmn(θ，φ)，則陣列的方向圖函數(shù)為

以中心頻率為設(shè)計(jì)參考，水平單元間距半波長(zhǎng)、垂直單元間距0. 6 波長(zhǎng)(為使相鄰單元不發(fā)生接觸，間距應(yīng)大于半波長(zhǎng))，當(dāng)最大輻射方向?yàn)棣?φ=90°，各單元等幅同相饋電時(shí)，可由式(1)計(jì)算出陣列天線的方向圖和增益。水平排列和平面排列時(shí)天線的波束寬度和增益變化情況如圖2 所示，可以看出，水平單元數(shù)大于3 時(shí)，半功率波束寬度小于30°，單元數(shù)大于3 ×3 時(shí)，增益大于16 dBi。考慮到在滿足指標(biāo)情況下盡量減小天線的體積，最終選擇水平排3 個(gè)單元，間距半波長(zhǎng)，垂直排4 個(gè)單元，間距0.72 波長(zhǎng)。

圖2 不同排列情況下天線電參數(shù)

1.2 輻射單元設(shè)計(jì)

文獻(xiàn)［7］研究了增大振子直徑對(duì)帶寬的影響，適當(dāng)增加振子直徑可以有效拓展天線的工作帶寬。據(jù)此，采用具有較大直徑的振子作為陣列單元，其結(jié)構(gòu)如圖3 所示，其中，振子為中空的鋁質(zhì)圓柱，寬帶自平衡巴倫同軸饋電，饋電口與反射板平行，便于連接功率分配器。天線振子的直徑為40 mm，振子長(zhǎng)度為130 mm，計(jì)算和實(shí)測(cè)電壓駐波比曲線，如圖4 所示。

從圖中可以看出，在f0－ 275 MHz ～f0+ 275 MHz 的寬頻帶范圍內(nèi)，單元天線的駐波比小于2，且計(jì)算結(jié)果和實(shí)測(cè)結(jié)果基本吻合。

1.3 陣列設(shè)計(jì)

采用以上設(shè)計(jì)的單元天線及分析結(jié)果進(jìn)行排陣，陣列結(jié)構(gòu)如圖5 所示。

圖5 陣列天線結(jié)構(gòu)示意圖

圖5 中在水平方向等間距排列3 個(gè)單元，垂直方向等間距排列4 個(gè)單元，通過一個(gè)一分四功率分配器與三個(gè)一分三的功率分配器串接而成，分別對(duì)各單元天線饋電。

為降低天線的副瓣電平，根據(jù)Schelkunoff 低副瓣原理，使各排、各列的單元天線成三角形饋電，幾種不同比例幅度饋電時(shí)，天線E 面方向圖如圖6 所示。從圖中可以看出，當(dāng)采用1 ∶1 ∶1 ∶1 幅度比(等幅)饋電時(shí)，天線的副瓣電平最高，采用1 ∶2 ∶2 ∶1 的比例饋電時(shí)，天線的副瓣電平最低。

圖6 不同幅度比饋電時(shí)天線E 面方向圖

1.4 功率分配器設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)低副瓣所需的三角饋電，設(shè)計(jì)了兩種功率分配器。一種是一分四功率分配器，如圖5 所示，該功率分配器可以看作一個(gè)一分三等分功率的功率分配器串接一個(gè)一分二的功率分配器而成，所得各輸出口的幅度比為2 ∶2 ∶1 ∶1;另一種是一分三不等分功率分配器，其各輸出口的幅度比為1 ∶1 ∶2。按照?qǐng)D5 所示的結(jié)構(gòu)將功率分配器進(jìn)行連接，使一分四功率分配器幅度高的輸出口連接為中間兩排陣列饋電的一分三功率分配器的輸入口，幅度低的則連接最外側(cè)兩排一分三功率分配器的輸入口。這樣就獲得了水平面1 ∶2 ∶1、垂直面1 ∶2 ∶2 ∶1 的面振子饋電分布。

2 陣列天線電性能

2.1 阻抗匹配特性

設(shè)計(jì)的寬帶低副瓣平板反射器陣列天線阻抗匹配良好，在f0－275 MHz ～f0+275 MHz 的寬頻帶范圍內(nèi)VSWR≤2，電壓駐波比曲線如圖7 所示。

圖7 陣列天線駐波比曲線

2.2 增益特性

該陣列天線的增益特性曲線如圖8 所示。從圖中可以看出，在頻帶內(nèi)陣列天線的增益大于15 dBi，最高點(diǎn)超過了17 dBi，具有較好的高增益特性。

圖8 增益特性曲線

2.3 方向圖特性

陣列天線的E 面和H 面方向圖分別如圖9、圖10 所示。從圖中可以看出，天線在頻率較低時(shí)具有較低的副瓣，雖頻率升高，副瓣抬升，在低頻端時(shí)副瓣電平小于－27 dB，而在高頻端時(shí)，副瓣電平為－20 dB。特別是在H 面全頻段內(nèi)主瓣寬度均勻(30°)副瓣電平低于－27 dB，呈現(xiàn)出良好的寬帶低副瓣特性。

3 結(jié) 語(yǔ)

介紹了一種具有工程實(shí)用價(jià)值的寬帶低副瓣平板反射器陣列天線，該天線采用4 排3 列的單元形式進(jìn)行布陣，通過不等幅功率分配器組成理想的三角形分布寬頻帶饋電網(wǎng)絡(luò)，在相對(duì)工作帶寬51.16%的頻帶內(nèi)實(shí)現(xiàn)了良好的低副瓣特性，滿足了特殊的實(shí)際工程需求，應(yīng)用效果良好，具有很好的推廣應(yīng)用前景。

［1］MAILLOUX R J.相控陣天線手冊(cè)［M］.第2 版.南京電子技術(shù)研究所，譯.北京:電子工業(yè)出版社，2007:82.

［2］林昌祿，等.近代天線設(shè)計(jì)［M］. 北京:人民郵電出版社，1990.

［3］約翰·克勞斯.天線［M］. 章文勛，譯.北京:電子工業(yè)出版社，2004.

［4］杜衛(wèi)民.低副瓣平面陣列天線設(shè)計(jì)［D］.西安:西安電子科技大學(xué)，2008.

［5］孫紹國(guó)，張玉梅，盧曉鵬. L 波段寬帶超低副瓣偶極子陣列天線的研制［J］. 微波學(xué)報(bào)，2006(B06):5-10.

［6］屈天瑩，夏冬玉，唐祥楠，等. 寬頻帶平板反射器陣列天線分析與設(shè)計(jì)［J］. 電波科學(xué)學(xué)報(bào)，2008，23(2):376-379.

［7］屈天瑩，夏冬玉，唐祥楠. 寬頻帶粗振子平板反射器陣列天線技術(shù)研究［J］. 電波科學(xué)學(xué)報(bào)，2009，24(2):318-322.