一種雙模寬波束平面天線及其相控陣應(yīng)用

帥 翔，肖紹球，王秉中

(電子科技大學(xué)物理學(xué)院 成都 610054)

近年來，寬角掃描陣列天線由于具有無慣性波束掃描，可以同時(shí)跟蹤多個(gè)目標(biāo)等優(yōu)點(diǎn)而在雷達(dá)和無線通信技術(shù)中得到廣泛的應(yīng)用[1-4]。天線單元作為組成陣列的關(guān)鍵器件，其工作特性直接影響著陣列整體性能的優(yōu)劣。具有寬波束特性的天線由于信號(hào)具有較大的覆蓋范圍，是實(shí)現(xiàn)寬角掃描陣列的重要方案之一。寬波束天線同時(shí)也在衛(wèi)星通信中得到了廣泛的應(yīng)用，可以有效地增強(qiáng)接收天線低仰角信號(hào)的強(qiáng)度，提高通信質(zhì)量。為此，國內(nèi)外學(xué)者和工程技術(shù)人員開展了一系列的研究，提出了多種實(shí)現(xiàn)寬波束天線的解決辦法。文獻(xiàn)[5]提出了一款工作在中心頻率2 323 MHz的天線，3 dB軸比波束寬度達(dá)到110°，其剖面高度為0.63λ0。文獻(xiàn)[6]采用了圓極化微帶天線四周加載電偶極子的方式，利用電偶極子在俯仰面內(nèi)的錐狀波束展寬天線的輻射波束，該天線工作的中心頻率為3 GHz，帶寬為100 MHz，半功率波束寬度為156°，增益為3.5 dBi。

文獻(xiàn)[7]提出了一款工作在GPS頻段的天線，3 dB軸比波束寬度達(dá)到112°，其剖面高度為0.16λ5(λ5為GPS L5:1 176.45 MHz的自由空間波長(zhǎng))。文獻(xiàn)[8]提出了一款中心頻率為2.35 GHz的電-磁偶極子天線，電偶極子和磁偶極子的方向圖在空間中互補(bǔ)，因此天線單向輻射，E面和H面的方向圖均對(duì)稱且近似相同，工作頻帶內(nèi)增益為8.1 dBi，交叉極化抑制度優(yōu)于40 dB，前后比特性良好。文獻(xiàn)[9]提出了一款具有寬軸比波束特性的電磁偶極子天線，方向圖具有對(duì)稱的特性，其3 dB波束寬度為85°，剖面高度為0.25λ0。

上述具有寬波束特性的天線剖面較高，不適合應(yīng)用在體積受限和共形的場(chǎng)合。大量文獻(xiàn)報(bào)道了實(shí)現(xiàn)低剖面寬波束天線的多種方案，并應(yīng)用在大角度掃描的陣列中。文獻(xiàn)[10]最先提出了一種利用微帶天線實(shí)現(xiàn)平面磁偶極子天線的形式。文獻(xiàn)[11]在此基礎(chǔ)上提出了一款具有垂直極化特性的磁偶極子貼片天線，其三邊短路，一邊開路作為等效磁流，利用等效磁流的全向特性，用多個(gè)單元構(gòu)建了具有準(zhǔn)端射輻射特性的陣列天線。文獻(xiàn)[12]提出了一款加載梳狀槽的貼片天線，通過在貼片四周加載短路柱增強(qiáng)隔離，可以實(shí)現(xiàn)天線帶寬為4.3%，剖面為0.1λ0，最大掃描角度為±60°。

本文利用兩個(gè)工作在不同頻率的磁偶極子，通過扇形枝節(jié)加載的電偶極子饋電，激發(fā)出兩種不同的工作模式，設(shè)計(jì)出一款工作在5.55～5.85 GHz的E面寬波束的平面天線，并采用8個(gè)單元組成了線形陣列。測(cè)試結(jié)果表明，工作頻帶內(nèi)其單元的E面波束寬度優(yōu)于±70°，峰值增益為6.2 dBi，前后比優(yōu)于28 dB。陣列主波束的增益降低3 dB時(shí)最大可以掃描到偏離側(cè)射方向±60°。

1 寬波束天線的設(shè)計(jì)

1.1 天線的結(jié)構(gòu)

天線單元由兩個(gè)平行放置的磁偶極子和放置于磁偶極子中間的電偶極子組成，如圖1所示。

圖1 寬波束天線的結(jié)構(gòu)以及尺寸參數(shù)圖

磁偶極子由3邊短路，一邊開路的微帶貼片構(gòu)成。電偶極子由50 Ω同軸饋電，兩端是加載的扇形枝節(jié)，整個(gè)天線印刷在Rogers5880基片(相對(duì)介電常數(shù)為2.2，損耗正切角為0.002)的上層，基片的底層是地平面。整個(gè)單元的尺寸是80 mm×60 mm×1.6 mm，即0.75λ0×0.42λ0×0.03λ0。天線的尺寸參數(shù)在圖1中標(biāo)注，具體的數(shù)值在表I中列出。此外，接地孔的半徑為0.3 mm，接地孔之間的距離為1 mm。

表1 天線的詳細(xì)尺寸

1.2 工作機(jī)理

由于兩個(gè)磁偶極子天線工作機(jī)理類似，因此將天線沿與磁偶極子平行的中線剖分為兩部分，如圖2所示，便于分析。

由圖2可以看出，電偶極子兩端都是加載的扇形枝節(jié)，這樣能量通過細(xì)槽耦合到貼片，便于擴(kuò)展帶寬。磁偶極子的寬度是0.25λg，長(zhǎng)度約為λg?？紤]到實(shí)際加工的因素，短路壁用密排的接地孔表示，孔的半徑為0.3 mm，孔的間距為1 mm。開路的一邊分布著垂直于基片的電場(chǎng)E，由于基片很薄，電場(chǎng)強(qiáng)度和方向不變，根據(jù)等效原理，磁流Ms沿著長(zhǎng)邊x的方向，等效為一個(gè)輻射孔徑。

圖2 寬波束天線的工作原理圖

根據(jù)鏡像原理，磁流加倍為2Ms。由此看出，天線是基于磁偶極子的模式工作，而電偶極子主要起阻抗匹配和傳遞能量的作用。根據(jù)磁流的全向輻射特性，在上半空間的yoz面具有近似全向的輻射方向圖。

現(xiàn)在對(duì)天線的表面電流分布作進(jìn)一步的分析。首先對(duì)天線用HFSS 15.0軟件進(jìn)行全波仿真。由端口的反射系數(shù)可知天線的兩個(gè)諧振點(diǎn)是5.61 GHz和5.76 GHz。

圖3 寬波束天線的電流分布圖

當(dāng)天線工作在5.61 GHz，如圖3a所示，較強(qiáng)的電流分布在扇形枝節(jié)周圍，較長(zhǎng)的磁偶極子上分布的電流強(qiáng)度較大，說明較長(zhǎng)磁偶極子的輻射起主要作用；當(dāng)天線工作在5.76 GHz，如圖3b所示，較短的磁偶極子上分布的電流強(qiáng)度較大，說明較短的磁偶極子輻射起主要作用。當(dāng)天線在全頻段內(nèi)工作時(shí)，兩個(gè)磁偶極子的等效孔徑均起主要作用。

2 單元的工作性能

2.1 天線單元的反射系數(shù)

天線的回波損耗由安捷倫的矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀E5071B測(cè)量得出，如圖4所示。10 dB阻抗帶寬是5.3% (5.55～5.85 GHz)，比單個(gè)磁偶極子的帶寬有所展寬，實(shí)驗(yàn)和仿真結(jié)果比較接近。但是在低頻點(diǎn)諧振頻率略低，高頻諧振點(diǎn)測(cè)試結(jié)果要高20 MHz，而且諧振較深，阻抗匹配特性還要好些，這些與加工的誤差，接頭與天線的匹配等因素有關(guān)。

天線中磁偶極子的長(zhǎng)度和寬度主要決定諧振頻率，而當(dāng)諧振點(diǎn)確定之后，饋電點(diǎn)離電偶極子中心的距離P，兩個(gè)磁偶極子之間的距離S對(duì)反射系數(shù)的影響較大。

圖4 天線的反射系數(shù)

現(xiàn)在以饋電點(diǎn)與天線的距離參數(shù)P為例，觀察反射系數(shù)隨不同參數(shù)P的變化，圖5說明反射系數(shù)對(duì)P的變化比較敏感。這里取仿真得到的最優(yōu)值P=1.2 mm。實(shí)際加工中，參數(shù)P的較小誤差都會(huì)導(dǎo)致反射系數(shù)曲線的明顯變化。

圖5 饋電位置P對(duì)反射系數(shù)的影響

2.2 天線單元的輻射特性

遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖在Satimo公司的StarLab System中測(cè)試，天線測(cè)試的狀態(tài)如圖6所示。

圖6 天線在暗室中的測(cè)試圖

仿真和測(cè)試的方向圖如圖7所示，可以看出E面和H面的主極化方向圖符合得很好。天線工作在5.61 GHz時(shí)，E面的3 dB波束范圍從-74°～76°，工作在5.76 GHz時(shí)，E面的3dB波束范圍從-74°～82°，H面波束則較窄。兩個(gè)面的的交叉極化抑制度均優(yōu)于20 dB，但比仿真的40 dB抑制度有所惡化，這與加工誤差有關(guān)。此外，H面的交叉極化在低仰角不太理想，這是由于磁偶極子的沿y方向的磁流受到了電偶極子的擾動(dòng)，增大了交叉極化分量。

圖7 天線的遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)試方向圖

3 掃描陣列的結(jié)果和分析

3.1 陣列的設(shè)計(jì)和分析

設(shè)計(jì)時(shí)為了避免出現(xiàn)柵瓣，單元間距d應(yīng)不大于半波長(zhǎng)[13]。如圖8所示，將8個(gè)寬波束單元以相同的距離排成線陣。通過仿真確定當(dāng)距離D=22.5 mm時(shí)各單元端口的駐波和主波束的掃描特性最佳。

圖8 陣列的拓?fù)鋱D

現(xiàn)在給出單元1和其余7個(gè)單元的耦合情況，如圖9所示。工作在5.61 GHz時(shí)，單元距離越大，耦合越小，最近的兩個(gè)單元耦合也在-10 dB以下。

圖9 單元1和陣列其他單元的耦合系數(shù)

由陣列的仿真結(jié)果分別提取各單元的有源單元方向圖，其結(jié)果由圖10a和圖10b共同給出。

圖10 單元1到8的有源單元方向圖

對(duì)每個(gè)端口依次饋入漸變的相位0，α0，2α0，…，7α0，主波束依次掃描。隨著掃描角度的增大，波束寬度逐步增加，仿真結(jié)果如圖11所示。方向圖的主波束從-66°掃描到70°的詳細(xì)信息如表2所示。

圖11 仿真得到的陣列掃描方向圖

表2 仿真的E面掃描方向圖

3.2 陣列的加工、測(cè)試和結(jié)果分析

陣列同樣采用厚度為1.6 mm的Rogers5880基片，8單元陣列的總尺寸是218 mm×80 mm。分別測(cè)量第1個(gè)到第8個(gè)單元的有源單元方向圖，并保存?zhèn)溆谩?/p>

設(shè)fm(θ,φ)是第m個(gè)單元在陣列環(huán)境中的方向圖即有源單元方向圖，它代表當(dāng)?shù)趍個(gè)單元端口匹配良好并采用單位電壓激勵(lì)，其余單元端口接上匹配負(fù)載使得各自的反射電壓波可以忽略的情況下陣列的輻射方向圖。因此，總輻射場(chǎng)的表達(dá)式[14]為：

式中，am是第m個(gè)單元的幅度激勵(lì)系數(shù)；gm是第m個(gè)單元的相位激勵(lì)因子。設(shè)陣列的每個(gè)單元都是等幅激勵(lì)，相位是線性漸變激勵(lì)，即am=1，gm=ej(m-1)α(設(shè)第1個(gè)單元的激勵(lì)相位是0°，α是相鄰單元激勵(lì)的相位差)。因?yàn)閒m(θ,φ)包含了所有互耦的影響并隱含了由單元位置決定的空間相位信息，所以式(1)計(jì)算總場(chǎng)的結(jié)果是精確的。

方向圖的測(cè)試結(jié)果如圖12所示。主波束在E面掃描，增益和副瓣信息在表格3中列出。由此可見，掃描特性相比仿真結(jié)果有一定程度的下降，主要因素包括：實(shí)際加工的接地孔金屬化程度不完全；同軸接頭和匹配負(fù)載的工作頻率超過標(biāo)稱的5 GHz；加工誤差和焊接的因素。從表3可以看出，掃描到最大角時(shí)副瓣低于主瓣6.1 dB。

圖12 陣列的實(shí)測(cè)掃描方向圖

表3 測(cè)量的E面掃描的方向圖

4 結(jié) 束 語

本文提出了一款基于磁偶極子工作的雙模寬波束平面貼片天線，分析了該天線的工作機(jī)理，通過仿真分析和加工，驗(yàn)證該天線具有剖面低，易加工，E面可以實(shí)現(xiàn)優(yōu)于±70°寬波束，工作帶寬有所拓寬等諸多優(yōu)點(diǎn)。為了發(fā)揮天線寬波束特性的優(yōu)勢(shì)，加工了一款8個(gè)單元組成的線形陣列，測(cè)試結(jié)果表明該陣列主波束可以掃描到±60°而保持良好的輻射特性。