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            L波段相控陣天線單元設計
            瀏覽次數:18     發布時間:2020-08-21    

            (轉載自微波射頻網)

                現代無線技術快速發展,相控陣雷達天線對天線單元提出了越來越高的要求。本文設計了一種低剖面、輕量化、具有寬角掃描能力的線極化微帶天線,廣泛適用于星載、機載等平臺,且具有低成本,可維修性的優點。仿真結果表明,在15%帶寬內,天線單元E面掃描±60°,H面掃描±20°范圍內有源駐波均小于2.5;陣中單元3dB波瓣寬度覆蓋掃描范圍,并加工小面陣測試驗證。


            1. 引言

             

                如今通信、雷達、電子戰一體化綜合電子信息系統已成為現代電子戰裝備發展的主流方向,而具有寬角掃描性能的相控陣天線是其構成的基礎。相控陣天線是由許多天線單元排陣所構成的定向陣列天線,通過控制各個單元的相位實現波束掃描,其優點包括[1]:1.載體平臺可使用高增益天線,有利于提高整個系統性能;2.可在寬區域內跟蹤目標,適合載體跨區域的使用需求;3.波束掃描速度快、跟蹤精度高,適應載體的高速機動性能;4.易于形成多個波束,可在空間實現信號功率的合成。

             

                相控陣天線除了具有上述優點之外,也具有一定的缺點,主要表現在寬角掃描時增益下降較大,因此掃描范圍有限。對于彈載、機載等平臺,其重量、體積和剖面高度等都受到限制,因此低頻低剖面寬角掃描相控陣天線設計已是當今相控陣天線的重要發展趨勢。相控陣天線掃描范圍受限主要有兩個原因,一是天線單元端口輸入阻抗與掃描角相關,掃描范圍越大,則越難在不同掃描角均實現阻抗匹配,導致天線效率降低;二是天線單元陣中波束寬度有限,而陣列方向圖為陣因子與天線單元方向圖之乘積,故大掃描角方向陣列增益下降過大。因此寬角掃描相控陣天線要求天線單元具有良好的寬角阻抗匹配性能和較寬的波束寬度。

             

                傳統的線極化相控陣天線單元包括印刷陣子天線、Vivaldi天線,槽線天線、喇叭天線、微帶天線等,文獻[2-3]中設計的Vivaldi天線能夠實現較寬頻帶內的寬角掃描,但其縱向較大,不符合低剖面的要求;槽線天線[4,5]與Vivaldi天線工作原理相似,但由于其饋電結構的不對稱性通常會引入駐波奇異點;文獻[6,7]中的喇叭天線具有高增益、高效率的優點,但應用于低頻時重量過大;微帶天線剖面低,重量輕,但帶寬較窄[8],文獻[9]實現了寬帶和高增益,但結構復雜,不利于批量生產。

             

            2. 天線單元結構

             

                本文設計了一種紙蜂窩支撐的微帶天線,其結構如圖1所示。天線剖面高度僅為十分之一中心頻率波長,且為降低天線重量,紙蜂窩采用孔格邊長1.83mm,密度29kg/m3的較輕質型號,印制板采用厚度0.127mm的國產睿龍RA300型印制板,密度2.02×103kg/m3。采用HFSS對天線仿真過程中發現,天線諧振頻率隨掃描角變化而偏移,故在方形貼片上開U形槽增加帶寬。

             

                同時本文設計了一種新穎的饋電結構如圖2所示,該饋電結構將同軸內芯延長,末端焊接直徑12mm的金屬圓盤,圓盤與貼片縱向間距約2mm。為保證結構強度同時降低重量,金屬圓盤采用直徑12mm的表面覆銅的聚四氟乙烯替代,厚度為3mm,同軸內芯包裹直徑2mm聚四氟乙烯,底部為直徑12mm的聚四氟乙烯以保證結構穩定。這樣的饋電結構在貼片與饋電探針之間引入容性,與探針帶來的感性形成較好的匹配,從而進一步拓展帶寬。該饋電結構具有后向安裝與維修的特點,增加了天線可維修性。根據上述材料計算得面密度僅為0.94kg/m2。

             

            圖1、天線單元結構

             

             

             


            圖2、饋電結構

             

            3.仿真結果

             

            在商用軟件HFSS中建立周期邊界仿真模型,通過優化開槽尺寸及饋電結構,得到E面掃描0~60°及H面掃描0~20°有源駐波如圖3、4所示。

             


            圖3、E面有源駐波

             


            圖4、H面有源駐波

             

                仿真結果表明,E面掃描60°內有源駐波均小于2.5,H面掃描60°內有源駐波均小于2,滿足設計需求。

             

                相控陣天線的寬角掃描性能還與天線單元陣中波束寬度相關,陣中單元波束寬度越寬,掃描增益下降越小,掃描能力越強。本文建立上述天線單元的5×5陣列模型,計算陣中單元二維有源駐波,考察陣中單元實際增益的波束寬度,仿真結果如圖5、6所示。

             


            圖5、陣中單元中心頻點二維有源駐波

             


            圖6、陣中單元E面H面波束寬度

             

                小面陣仿真計算結果表明,中心頻點二維有源駐波較周期邊界條件的單元仿真結果略有惡化,但在可接受范圍內;陣中單元波束寬度E面約120°,H面約40°,覆蓋掃描范圍,E 面方向圖增益起伏較大,分析其原因為小面陣規模較小,邊界條件的設置對其存在影響。

             

            4.測試結果

             

                基于上述仿真模型,制作8×4小面陣如圖7所示,其饋電結構如圖8。

             


             

            圖7、8×4小面陣

             

             

            圖8、饋電結構

             

                測試小面陣陣中單元駐波及其與其他各單元間互耦,計算其有源駐波,采用近場測試的方法測試陣中單元方向圖。測試結果如下。

             

             

            圖9、陣中單元中頻二維有源駐波

             

            圖10、陣中單元E面增益及交叉極化

             

            圖11、陣中單元H面增益及交叉極化

             

            表1、小面陣效率計算

             

            測試結果與仿真結果接近,陣中單元二維有源駐波均小于2.5,波束寬度能夠覆蓋掃描范圍,交叉極化優于-20dB,效率計算[10]見表1,頻帶內效率高于83%,達到工程應用水平。

            5. 結論

            本文針對星載及機載平臺需求,設計了一種L波段低剖面、輕量化、維修性高的相控陣天線單元,實現了E面掃描±60°,H面掃描±20°的寬角掃描,效率高于83%,具有良好的工程可實現性。


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