一種加載金屬背腔的寬波束相控陣天線單元設(shè)計(jì)

朱　楊,張福順

(1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所,合肥230088;

2.西安電子科技大學(xué)天線與微波技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,西安 710071)

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一種加載金屬背腔的寬波束相控陣天線單元設(shè)計(jì)

朱楊1,張福順2

(1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所,合肥230088;

2.西安電子科技大學(xué)天線與微波技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,西安 710071)

摘要:設(shè)計(jì)了一種工作于UHF波段的寬波束相控陣天線單元。通過(guò)傘狀印刷對(duì)稱振子加載金屬背腔的方式,實(shí)現(xiàn)了天線的水平面波束較寬、垂直面波束較窄的增益空域覆蓋特性。天線帶內(nèi)實(shí)測(cè)駐波小于1.75,實(shí)測(cè)增益大于6.1 dB。

關(guān)鍵詞:相控陣?yán)走_(dá);相控陣天線;寬波束;金屬背腔

0引言

隨著相控陣技術(shù)的發(fā)展成熟以及使用成本的下降[1],有源相控陣?yán)走_(dá)已逐漸成為軍事裝備傳感系統(tǒng)的主流設(shè)計(jì)方案之一。作為有源相控陣?yán)走_(dá)的重要組成部分,相控陣天線通常要求具有波束掃描、高增益等特性,其天線單元形式的選擇受到了諸多的限制。

常見的相控陣天線單元形式分為兩大類[2]:一類是口徑天線,如開口波導(dǎo)、微帶天線、喇叭天線等;另一類是線天線,如偶極子天線、錐削縫隙天線、印刷天線等。在本設(shè)計(jì)中,雷達(dá)系統(tǒng)要求天線單元具有寬波束、重量輕、成本低、適裝性好、便于排陣等特性。根據(jù)要求比對(duì)上述天線類型,選取印刷對(duì)稱振子天線[3-4]作為相控陣天線單元的基本形式。為了滿足天線單元的空間波束覆蓋要求,本文基于印刷振子天線形式設(shè)計(jì)了一種帶有金屬背腔的UHF波段傘狀印刷對(duì)稱振子相控陣天線單元,具有增益高、波束寬且易于優(yōu)化調(diào)節(jié)的優(yōu)點(diǎn)。

1天線設(shè)計(jì)

為滿足陣列±50°寬角掃描、邊角掃描增益損失較小的設(shè)計(jì)要求,天線單元在滿足波束增益覆蓋條件下水平面波束寬度應(yīng)盡可能寬、垂直面波束盡可能窄。這就對(duì)天線的波束可調(diào)整性提出了較高的要求。本文通過(guò)對(duì)天線振子外形進(jìn)行傘狀設(shè)計(jì)[5],使對(duì)稱振子水平面波束寬度得到展寬。除此之外,為補(bǔ)償水平面波束寬度展寬帶來(lái)的增益損失以及提高波束寬度的可調(diào)整性,在振子四周放置金屬反射板構(gòu)成反射腔,壓縮天線垂直面波束寬度,實(shí)現(xiàn)了天線波束的空間覆蓋,同時(shí)也提高了天線的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和適裝性。天線具體結(jié)構(gòu)形式如圖1所示。圖中,XOY面為水平面(即E面),XOZ面為垂直面(即H面),深灰色部分為介質(zhì)基板印刷腐蝕加工的傘狀印刷對(duì)稱振子,介質(zhì)基板的相對(duì)介電常數(shù)為2.65、厚度為2 mm。印刷振子四周安置了4個(gè)金屬反射板,介質(zhì)基板與反射板之間通過(guò)L型金屬鉸鏈進(jìn)行固定安裝。為便于同50 Ω標(biāo)準(zhǔn)同軸連接器進(jìn)行匹配連接,印刷振子天線使用微帶線轉(zhuǎn)槽線饋電巴倫進(jìn)行饋電[6]。表1為天線的結(jié)構(gòu)尺寸,表中λ0為中心頻點(diǎn)對(duì)應(yīng)的自由空間波長(zhǎng)。

圖1　天線結(jié)構(gòu)形式

L/λ0W/λ0H/λ0Hc/λ00.610.460.270.27

2金屬反射板高度對(duì)天線輻射特性的影響分析

由于反射背腔的結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)Hc對(duì)天線方向圖影響顯著,本節(jié)對(duì)不同金屬反射板高度Hc下的天線性能進(jìn)行仿真分析,其仿真結(jié)果如表2～4所示。表中fL、f0、fH分別為天線的低、中、高端工作頻點(diǎn),天線相對(duì)工作帶寬為13.6%。

表2　0.2λ0金屬反射板高度(H)下天線輻射的仿真數(shù)據(jù)

表3　0.27λ0金屬反射板高度(H)下天線輻射的仿真數(shù)據(jù)

表4　0.35λ0金屬反射板高度(H)下天線輻射的仿真數(shù)據(jù)

從表2～4中數(shù)據(jù)可以看出,隨著金屬反射板高度的增加,天線水平面波束寬度基本呈逐漸增大趨勢(shì)。僅當(dāng)頻率為fH、高度為0.35λ0時(shí),天線波束寬度變化趨勢(shì)相反,其原因是在該頻率和尺寸參數(shù)下金屬反射板的作用已由原先的引向器轉(zhuǎn)變?yōu)榉瓷淦?天線波束寬度受到反射壓縮而變窄。經(jīng)過(guò)增益和波束寬度的折中考慮,天線金屬反射板高度取0.27λ0。

3天線的仿真及測(cè)試結(jié)果

根據(jù)第2節(jié)的優(yōu)化結(jié)論,對(duì)天線性能進(jìn)行仿真分析和加工測(cè)試,得到天線的仿真和測(cè)試結(jié)果。圖2和圖3分別為天線電壓駐波比的仿真和測(cè)試曲線圖。從圖中數(shù)據(jù)可以看出,在整個(gè)工作頻帶內(nèi)天線的電壓駐波比仿真和測(cè)試結(jié)果分別小于1.6和1.75,滿足天線饋電的低回波和高效率設(shè)計(jì)要求。

圖2　電壓駐波比仿真數(shù)據(jù)

圖3　電壓駐波比測(cè)試數(shù)據(jù)

圖4為天線樣機(jī)照片。圖4中,在室外遠(yuǎn)場(chǎng)條件下分別對(duì)高中低3個(gè)典型頻點(diǎn)處的天線方向圖進(jìn)行測(cè)試,實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)如圖5所示。圖5中,方向圖與天線之間的坐標(biāo)關(guān)系與圖3中坐標(biāo)關(guān)系一致。從圖中數(shù)據(jù)可以看出,天線在工作頻帶內(nèi)的水平面3dB波束寬度為126°;垂直面3dB波束寬度為72°-78°,天線水平面波束寬度較寬,俯仰波束壓窄。在偏離法線角度小于±50°的水平面內(nèi),天線增益不低于4dB,滿足天線波束覆蓋要求。表5為采用對(duì)比法進(jìn)行測(cè)量的天線增益測(cè)試結(jié)果。從表中可以看出,工作頻帶內(nèi)天線增益不小于6.1dB,滿足天線單元增益的設(shè)計(jì)需求。綜合上述測(cè)試數(shù)據(jù)可以看出,天線的方向圖和增益測(cè)試結(jié)果與表2中的仿真數(shù)據(jù)具有較高的一致性,天線輻射性能實(shí)測(cè)結(jié)果良好,滿足天線應(yīng)用要求。

圖4　天線樣機(jī)照片

圖5　天線實(shí)測(cè)方向圖

測(cè)試頻點(diǎn)fLf0fH增益(dB)6.16.36.4

表6、7給出了一維水平掃描時(shí)天線單元陣中掃描范圍內(nèi)(法線至最大掃描范圍內(nèi))的輻射特性仿真和測(cè)試數(shù)值,天線單元間距為0.498λ0,陣列為一行線陣。從表中看出,天線單元在陣中的有源駐波小于2,天線增益大于6.3 dB,在水平±50°方向的增益大于3.8 dB,滿足陣列波束掃描和增益覆蓋需求。

表6　天線單元陣中輻射特性仿真數(shù)據(jù)

表7　天線單元陣中輻射特性測(cè)試數(shù)據(jù)

4結(jié)束語(yǔ)

本文基于傘狀印刷振子天線設(shè)計(jì)了一種工作于UHF波段相控陣天線單元。通過(guò)加載金屬背腔方式使得傳統(tǒng)印刷振子天線具有了寬角覆蓋和波束易于調(diào)節(jié)的特點(diǎn),提高了天線單元在陣列波束覆蓋空域的增益,天線結(jié)構(gòu)形式簡(jiǎn)單、便于安裝。天線帶內(nèi)駐波實(shí)測(cè)結(jié)果小于1.75,實(shí)測(cè)方向圖和波束覆蓋特性均滿足陣列組陣要求。

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[6]Min Guo,Shun-Shi Zhong.Broadband wide beamwidth printed dipole antenna[C].IEEE International Workshop on Antenna Technology (IWAT),2012:72-75.

Design of a wide-beam phased array antenna element with metal back cavity

ZHU Yang1, ZHANG Fu-shun2

(1.No.38 Research Institute of CETC, Hefei 230088; 2. National Key Laboratory of Antennas and Microwave Technology, Xidian University, Xi'an 710071)

Abstract:A wide-beam phased array antenna element operating at UHF band is designed. The air coverage characteristics of wide beam in the horizontal plane and narrow beam in the vertical plane are realized through the umbrella printed dipoles with the metal back cavity. The test results indicate that the VSWR and the gain of the antenna are less than 1.75 and greater than 6.1 dB respectively in the operating band.

Keywords:phased array radar; phased array antenna; wide beam; metal back cavity

中圖分類號(hào):TN821.8

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

文章編號(hào):1009-0401(2016)01-0041-03

作者簡(jiǎn)介:朱楊(1987-),男,工程師,博士,研究方向:電子對(duì)抗總體設(shè)計(jì)、寬帶有源相控陣天線、微帶天線;張福順(1960-),男,教授,博士,研究方向:天線理論與工程、天線測(cè)量等。

收稿日期:2015-12-20;修回日期:2016-01-14