基于新型耦合器的緊耦合陣列天線研究

楊 龍 ，周文濤 ，王 娜 ，張志亞

（1.中國西南電子技術(shù)研究所，四川 成都 610036；2.西安電子科技大學(xué) 天線與微波技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710071）

0 引言

近年來，緊耦合理論被應(yīng)用到超寬帶陣列天線的設(shè)計(jì)中，它通過有效利用天線單元之間的天線耦合效應(yīng)來滿足陣列天線寬帶化和低剖面的要求[1-4]。緊耦合陣列天線（Tightly Coupled Array Antenna，TCA）的起源可以追溯到1965 年提出的連續(xù)電流片陣列的理想天線模型[5]。但直到2003 年學(xué)者偶然發(fā)現(xiàn)天線之間的強(qiáng)耦合效應(yīng)可以用來拓寬天線帶寬[6]。從那時(shí)起，緊耦合陣列天線的研究備受關(guān)注[7-9]。為了獲得緊耦合陣列天線的寬帶性能，最初始和最重要的步驟是在兩個(gè)相鄰陣元之間設(shè)計(jì)耦合器以獲得強(qiáng)電容互耦。目前主要有兩種耦合器形式來實(shí)現(xiàn)陣元間的耦合。一種稱為交疊耦合器，它通過在基板的兩側(cè)分別印刷相鄰天線單元的兩個(gè)輻射臂，兩輻射臂彼此交疊而構(gòu)成，此時(shí)陣元間的電容為平板電容[9-11]。另一種耦合器稱為交指耦合器，它是通過在基板的同一側(cè)印刷相鄰陣元的兩輻射臂并使它們的邊緣交織成手指狀而構(gòu)成，此時(shí)陣元間的電容為交指電容[12-13]。在緊耦合陣列天線設(shè)計(jì)中，陣元間的電容耦合主要通過這兩種方式來實(shí)現(xiàn)。

本文提出了一種新型的電容耦合器，稱為阿基米德電容耦合器，來獲得陣元間的強(qiáng)電容耦合。同時(shí)，為進(jìn)一步增加相鄰陣元間的電容耦合，耦合器設(shè)計(jì)為雙層并聯(lián)結(jié)構(gòu)。最后，通過集成寬帶巴倫和介質(zhì)覆層的使用，設(shè)計(jì)的緊耦合陣列天線獲得了寬阻抗帶寬和寬角掃描能力。

1 緊耦合陣列單元設(shè)計(jì)

印刷偶極子天線結(jié)構(gòu)緊湊，加工容易，輻射性能穩(wěn)定，因此本文選擇蝶形印刷偶極子作為緊耦合陣列天線的基本單元。陣元間采用新型電容耦合器，即阿基米德電容耦合器可以獲得陣元間強(qiáng)互耦，其演化過程如圖1所示。該電容耦合器以圖1（a）所示的兩根平行的傳統(tǒng)傳輸線為設(shè)計(jì)原型，將兩根傳輸線在平面內(nèi)按阿基米德螺旋線相互纏繞，便得到了如圖1（b）所示的阿基米德電容耦合器。由傳輸線方程可知，這種形式的耦合器不僅能提供較大的電容還能提供電感分量，這樣可以更好地對天線的輸入阻抗進(jìn)行調(diào)節(jié)。緊耦合陣列天線單元晶胞的結(jié)構(gòu)如圖2 所示，單元晶胞由寬角匹配層、緊耦合振子和地板組成。將阿基米德電容耦合器放置在兩個(gè)相鄰的蝶形印刷偶極子的連接處，如圖2（b）所示。為了進(jìn)一步增大電容，利用金屬柱將雙層印刷的電容耦合器連接以實(shí)現(xiàn)兩個(gè)耦合器的并聯(lián)，從而使電容增加一倍，這樣做的好處是增加耦合電容的同時(shí)可減少螺旋臂的槽寬，降低實(shí)現(xiàn)難度，如圖2（c）所示。

圖1 新型電容耦合器的演化過程

圖2 緊耦合陣列天線單元晶胞的基本結(jié)構(gòu)

通過合理優(yōu)化螺旋臂寬度、螺旋線的增長率、螺旋臂的間距等參數(shù)，可以獲得合適的電容值。

根據(jù)文獻(xiàn)[11]，陣列天線在E 面和H 面的輻射阻抗與dE/dH成正比，其中dE和dH分別為E面方向和H 面方向的陣元間距。當(dāng)dE=dH時(shí)，如圖3（a）所示，陣元的輻射電阻接近377 Ω，則緊耦合陣列天線的輸入阻抗接近200 Ω。此時(shí)在有限的空間內(nèi)，設(shè)計(jì)相應(yīng)的寬帶阻抗變換網(wǎng)絡(luò)難度很大。通過更改dE和dH的比可以避免使用復(fù)雜的阻抗轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)dE=dH/2 時(shí)，如圖3（b）所示，E 面陣元間距的尺寸減半，陣列的輸入阻抗減小至100 Ω。這樣，原來的方形陣元就變成了兩個(gè)小陣元，每個(gè)小陣元都有一個(gè)輻射偶極子和巴倫，然后兩個(gè)小陣元并聯(lián)，形成一個(gè)50 Ω的饋電輸入。這樣，在有效陣元的數(shù)量和陣元的尺寸保持不變的情況下，不需要額外的阻抗轉(zhuǎn)換器，避免了200 Ω到50 Ω 阻抗轉(zhuǎn)換的帶寬限制。但是，這種方法也有其不可避免的缺點(diǎn)，即每個(gè)單元需要兩個(gè)巴倫，從而降低了巴倫的可用尺寸，因此有必要設(shè)計(jì)一個(gè)體積小、工作帶寬寬的巴倫來保證陣列性能的實(shí)現(xiàn)。

圖3 不同陣元間距的單元阻抗分析圖

緊耦合陣列天線單元的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖4 所示。蝶形偶極子印刷在垂直放置基板的同一側(cè)，基板材質(zhì)為F4B，介電常數(shù)為2.65，厚度為t_pcb=0.5 mm。使用緊湊的馬春德巴倫（Marchand Balun，MB）印刷在F4B 基板的另一側(cè)，如圖4 所示。在緊耦合陣列天線的頂部增加了具有特殊介電常數(shù)的介質(zhì)覆層，稱為廣角匹配層，以消除陣列天線在寬角掃描中電納的變化，從而擴(kuò)展其工作帶寬。因此，在仿真模型中，選用介電常數(shù)為2.1、厚度為h_sub的Teflon 電介質(zhì)，單元與厚度為h_sub的金屬底板之間采用空氣基板。廣角匹配層連接到阻抗為Z0=377 Ω的自由空間層?？諝鈱咏K止于金屬地板，相當(dāng)于一條短路的傳輸線。

圖4 緊耦合陣列天線單元的結(jié)構(gòu)

圖4 為無限周期緊耦合陣列天線單元的結(jié)構(gòu)，該單元通過威爾金森功率分配器將兩個(gè)小矩形單元并聯(lián)連接形成饋電端口，功率分配器印刷在金屬地板下方以避免影響天線輻射。天線陣列掃描時(shí)，將在兩個(gè)單元之間產(chǎn)生環(huán)形諧振。諧振可以通過匹配的威爾金森功率分配器來抑制，因?yàn)樵摲峙淦鞲綦x了兩個(gè)并聯(lián)的分支。緊耦合陣列天線的結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1 所示。

表1 緊耦合陣列天線結(jié)構(gòu)參數(shù)（mm）

圖5 為無限周期緊耦合陣列天線的全波仿真結(jié)果。經(jīng)過分析和優(yōu)化，設(shè)計(jì)的緊耦合陣列天線在所有平面掃描時(shí)有源駐波小于3的帶寬為6.26:1。然而，當(dāng)使用功率分配器時(shí)，有源駐波在某些頻帶惡化，造成這種現(xiàn)象的原因可能是一級隔離網(wǎng)絡(luò)不能充分抑制環(huán)形諧振。

圖5 無限周期緊耦合陣列天線的有源駐波仿真結(jié)果

2 緊耦合陣列設(shè)計(jì)及性能

以上分析均是基于無限大的周期陣列來進(jìn)行分析的，鑒于實(shí)際情況的條件限制，常取有限大的陣列模擬無限大的陣列工作。這時(shí)必須考慮有限陣列的邊緣截?cái)嘈?yīng)。為減輕有限陣列邊緣截?cái)嘈?yīng)以提高帶寬，對邊緣陣元可引入不同的加載技術(shù)，例如電阻加載、短路加載和開路加載[14]。電阻加載可以實(shí)現(xiàn)最低的有源駐波，但它也帶來損失和低效率的缺點(diǎn)。與短路終端相比，開路加載更容易實(shí)現(xiàn)，這里使用將邊緣單元開路加載的方法。將圖4 所示的單元沿Y 軸排列形成一個(gè)8 元線陣，然后將這個(gè)8 元線陣沿X 方向排列形成一個(gè)3×8的線極化偶極子陣列，如圖6 所示。天線單元按照其所在位置進(jìn)行編號，如X 方向第2 排Y 方向第4 個(gè)單元記為（x2，y4）。

圖6 帶開路匹配枝節(jié)的3×8 線極化偶極子陣列示意圖

將此陣列放在HFSS 軟件中進(jìn)行全波仿真，圖7 給出了各單元的有源駐波比的曲線。需要說明的是，當(dāng)陣列不掃描時(shí)，X 方向第一行和第三行對應(yīng)單元所處的耦合環(huán)境一樣，其有源電壓駐波比具有一致性，因此圖中僅給出第一行和第二行單元的有源電壓駐波比曲線。

為了更好地理解開路終端法對阻抗帶寬的影響，計(jì)算了具有不同開路終端長度（l_m=0.25 mm）的每個(gè)單元的有源駐波。需要注意的是，l_m=0 mm 時(shí)的曲線代表了沒有考慮邊緣截?cái)嘈?yīng)的每個(gè)單元的匹配特性。此時(shí)為方便起見，僅呈現(xiàn)X 方向第二列單元的有源駐波曲線，如圖7 所示。從圖中可以看出，陣列邊緣單元的匹配情況較中心單元差，且其低頻段的匹配急劇惡化，其原因是陣列截?cái)嘁痣娏鞑贿B續(xù)，引起較大的電流反射，而中心單元受截?cái)嘤绊戄^小，有源電壓駐波比在1.2～6.2 GHz頻帶內(nèi)基本在3 以下。此外由于陣列的對稱性，Y 方向的一行對應(yīng)位置單元因耦合環(huán)境一致具有基本相同的電壓駐波比，如單元（x1y1）和（x1y8），（x1y3）和（x1y6）等。圖8 給出了3×8 有限緊耦合陣列在不同掃描面的歸一化輻射方向圖。圖8（a）、8（b）、8（c）分別為1.4 GHz、

圖7 具有不同長度的開路加載的中間列陣元的有源駐波

圖8 有限緊耦合陣列輻射方向圖

3.5GHz 和6 GHz 處的方向圖，左右兩圖分別為E 面和H面掃描方向圖。從圖中可以看到，陣列在E 面和H 面均有±45°的掃描能力，掃描特性較好，除了低頻段的交叉極化為-25～-15 dB 外，別的頻帶均有-30 dB 以下的交叉極化。在低頻段因?yàn)殛嚵械碾姵叽巛^小，波束寬度較大，因而最大波束指向不明顯，隨著頻率升高，電尺寸的增大，陣列的最大波束指向明顯加強(qiáng)。

3 天線實(shí)物測試

為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)的正確性，根據(jù)圖6 所示的結(jié)構(gòu)及表1所給的緊耦合陣列天線的結(jié)構(gòu)參數(shù)制作了天線實(shí)物，天線實(shí)物測試如圖9 所示。

圖9 天線實(shí)物圖

受測試條件的限制，有源電壓駐波比不能直接測出，可通過間接方法進(jìn)行測試：首先在非測試單元接負(fù)載匹配的情況下測量出兩兩單元間的散射矩陣，再經(jīng)過后處理計(jì)算出每個(gè)單元的有源駐波。詳細(xì)方法描述如下：

陣列天線的端口間的散射矩陣可以由以下方程組描述：

此處，（m，n）代表需要求解的單元編號，a（p，q）代表端口入射波。S（m，n），（p，q）是單元（m，n）和單元（p，q）間的散射矩陣。

圖10 給出了加工的緊耦合陣列天線中間一列單元的有源駐波測試曲線。可以看到，天線的有源駐波比在1.3～6.8 GHz 頻段小于3，即獲得了5.2:1 相對阻抗帶寬，表明該陣列有較好的寬頻帶工作特性。測試結(jié)果與仿真結(jié)果略有差異，可能原因是加工精度不夠和測試誤差所致。

圖10 3×8 緊耦合陣列有源駐波測試曲線

4 結(jié)論

本文提出了一種新型的阿基米德電容耦合器實(shí)現(xiàn)了陣列單元間的強(qiáng)互耦，并以此為依據(jù)，結(jié)合印刷蝴蝶結(jié)偶極子、寬帶巴倫和功率分配器構(gòu)建了新型的緊耦合陣列天線。測試結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的緊耦合陣列天線在所有平面±45°掃描下有源駐波小于3的阻抗帶寬達(dá)到5.2:1，驗(yàn)證了新型電容耦合器的優(yōu)良性能，為緊耦合陣列天線的設(shè)計(jì)提供了新的設(shè)計(jì)思路。