天饋線伺服系統(tǒng)Ka波段高效微帶陣列天線

司 軍 高 星

(中國(guó)船舶重工集團(tuán)有限公司第七二三研究所 江蘇揚(yáng)州 225001)

0 引言

微帶天線因?yàn)槠渲亓枯p、剖面薄、造價(jià)低、易于共形以及很方便與有源電路集成的優(yōu)點(diǎn)，越來(lái)越受到廣大天線工作者的青睞[1]。隨著對(duì)微帶天線廣泛深入的研究，微帶天線已在天線的寬頻帶、多頻工作、小型化、提高增益等方面取得了眾多的成果。傳統(tǒng)的微帶天線有帶寬窄的缺點(diǎn)，但經(jīng)過(guò)多年天線研究者的努力，這一缺陷已得到有效改善，對(duì)于單貼片最大實(shí)現(xiàn)超過(guò)50%的帶寬[2]。

在天線陣列環(huán)境中，由于各陣元間存在能量上的相互耦合，對(duì)天線陣的性能產(chǎn)生了多方面的消極影響。在耦合饋電的微帶天線陣列中，影響天線效率的互耦主要來(lái)源于兩部分：一部分是某天線陣元的饋電終端耦合到其余陣元的饋電口的內(nèi)部互耦；另一部分就是表面波。一方面對(duì)耦合饋電的饋電終端來(lái)講，能量不能全部通過(guò)耦合結(jié)構(gòu)耦合至天線單元，有一部分能量通過(guò)饋電層的介質(zhì)耦合至其余單元的饋電口，使各天線單元幅相誤差嚴(yán)重偏離設(shè)計(jì)值；另一方面雖然可以通過(guò)合理選擇介質(zhì)厚度和介電常數(shù)抑制表面波，但由于表面波的最低次TM模的截止頻率沒(méi)有下限，仍然有一部分能量沿著介質(zhì)表面?zhèn)鞑ィ瑥亩箚蝹€(gè)天線單元輻射效率降低。內(nèi)部互耦和表面波都會(huì)引起微帶天線效率降低，造成天線增益下降。

針對(duì)Ka波段微帶天線效率不高的問(wèn)題，本文提出了一種將饋電層各個(gè)饋電終端隔離以及輻射貼片的介質(zhì)沿E面斷開(kāi)的方法，使得陣列天線的互耦得到很好的抑制，Ka波段微帶陣列天線的效率進(jìn)一步提高。

1 天線單元設(shè)計(jì)

直接饋電微帶天線的工作帶寬相對(duì)較窄，在某些工作環(huán)境下，需要進(jìn)一步展寬帶寬，則需要在結(jié)構(gòu)上進(jìn)行改變，文獻(xiàn)[3]提到了一些改進(jìn)的方法，本項(xiàng)目采用耦合饋電的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)帶寬的展寬。

文獻(xiàn)[6]表明微帶天線介質(zhì)厚度主要依據(jù)最低次TE型表面波的截止頻率進(jìn)行選擇，根據(jù)TE型表面波的截止頻率與介電常數(shù)和介質(zhì)厚度關(guān)系為

(1)

選擇該天線的介質(zhì)厚度為0.254mm，介電常數(shù)為2.3，可計(jì)算得到，最低次的表面波在25.9GHz頻率上才能被激勵(lì)起來(lái)。

天線單元為六層結(jié)構(gòu)，從上至下分別為：輻射貼片、輻射層介質(zhì)、接地層、饋電層介質(zhì)、信號(hào)層、饋電層介質(zhì)、接地層，每層介質(zhì)厚度為0.254mm，考慮微帶多層加工粘接膜的厚度以及每層金屬厚度，天線單元總厚度為0.787mm。依據(jù)天線單元所占面積建立單元周期邊界仿真模型，驗(yàn)證陣列環(huán)境中的天線性能，如圖1所示。

圖1 陣列中單元駐波

2 陣列設(shè)計(jì)

以設(shè)計(jì)完成的天線單元構(gòu)建1個(gè)4×4微帶陣列，單元間距為8.1mm×8.1mm。微帶陣列采用同軸饋電，通過(guò)饋電網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)對(duì)陣列的各個(gè)天線單元進(jìn)行等幅同相激勵(lì)，圖2(a)和圖2(b)為未采取互耦抑制措施4×4微帶陣列的仿真模型及仿真方向圖，表1為天線仿真方向性系數(shù)。

圖2 常規(guī)4×4微帶陣列仿真模型及方向圖

表1 4×4陣列仿真方向性系數(shù)

從仿真結(jié)果可以看出天線口徑效率極低、頻帶內(nèi)起伏很大，嚴(yán)重偏離設(shè)計(jì)預(yù)期。項(xiàng)目組通過(guò)電磁場(chǎng)仿真軟件分析了饋電介質(zhì)和輻射層介質(zhì)中的電場(chǎng)分布，如圖3所示，從圖中可以明顯看到饋電層互耦很嚴(yán)重，在介質(zhì)和空氣分界面上有表面波傳播，這兩種互耦嚴(yán)重影響了天線的口徑效率。

圖3 饋電介質(zhì)和輻射層介質(zhì)中的電場(chǎng)分布

針對(duì)出現(xiàn)的問(wèn)題，提出了將饋電層各個(gè)饋電終端隔離以及輻射貼片的介質(zhì)沿E面斷開(kāi)的互耦抑制措施。建立了一個(gè)改進(jìn)后的4×4微帶陣列仿真模型如圖4(a)所示，圖4(b)為改進(jìn)后的天線方向圖。改進(jìn)后的電場(chǎng)分布如圖5所示。

圖4 改進(jìn)后的4×4微帶陣列仿真數(shù)據(jù)

圖5 改進(jìn)后饋電介質(zhì)和輻射層介質(zhì)中的電場(chǎng)分布

從圖3和圖5對(duì)比可以看出，采用饋電層終端隔離措施后，各單元之間內(nèi)部耦合顯著減小，單元激勵(lì)更加均勻；采用輻射貼片的介質(zhì)沿E面斷開(kāi)的措施后，天線單元之間的表面波耦合也得到了一定程度的降低。

表2為改進(jìn)后天線陣列的仿真方向性系數(shù)。從表2中可以看出，改進(jìn)后天線陣列的效率較常規(guī)陣列來(lái)至少提高23%。

表2 改進(jìn)后4×4陣列仿真方向性系數(shù)

3 樣件試制

為了驗(yàn)證改進(jìn)措施的有效性，項(xiàng)目組在完成微帶陣列設(shè)計(jì)和仿真的基礎(chǔ)上加工了改進(jìn)后的4個(gè)4×4微帶陣列進(jìn)行了測(cè)試。圖6為改進(jìn)后加工的微帶陣列實(shí)驗(yàn)件，圖7為改進(jìn)后陣列測(cè)試方向圖。表3為實(shí)測(cè)天線陣列效率和仿真結(jié)果對(duì)比。

圖6 改進(jìn)后4×4微帶陣列實(shí)驗(yàn)件

圖7 改進(jìn)后陣列測(cè)試方向圖

表3 仿真和實(shí)測(cè)天線效率對(duì)比

從實(shí)測(cè)結(jié)果可以看出，采取改進(jìn)措施后天線效率明顯提升，進(jìn)一步驗(yàn)證了采取措施的有效性。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)微帶陣列天線效率低下的問(wèn)題，通過(guò)理論和電磁仿真分析了根本原因，并提出了一種將饋電層各個(gè)饋電終端隔離以及輻射貼片的介質(zhì)沿E面斷開(kāi)的方法，抑制了微帶陣列天線單元間的互耦，提高了天線口徑效率。數(shù)據(jù)和實(shí)測(cè)結(jié)果均證實(shí)了該技術(shù)的可行性和有效性，能夠?qū)崿F(xiàn)高效率的微帶陣列天線，具有較強(qiáng)的參考價(jià)值。