鄧 寬,張 玉

(金陵科技學(xué)院電子信息工程學(xué)院,江蘇 南京 211169)

作為無線通信和雷達技術(shù)系統(tǒng)中的重要元件,天線的理論研究和工程設(shè)計引起了研究者們的關(guān)注[1-3]。微帶天線具有體積小、重量輕、低輪廓、易于與其他微波電路集成等優(yōu)點,在無線通信和雷達領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[4-6]。文獻[7]設(shè)計了一個微帶天線陣列,用于雷達天線中的移動目標(biāo)檢測。文獻[8]設(shè)計了用于戰(zhàn)場監(jiān)視的微帶雷達天線陣列。文獻[9]通過設(shè)計專門的耦合饋電網(wǎng)絡(luò)和貼片輻射單元,得到21 dB增益和低旁瓣的收發(fā)天線陣列。文獻[10]通過巧妙的輻射單元設(shè)計,獲得了一種工作頻段涵蓋C波段和X波段的超寬帶微帶陣列。此外,Ma等[11]還提出了一種用于合成孔徑雷達應(yīng)用的雙頻和雙極化微帶天線。但由于材料選擇、制造和實驗產(chǎn)生的公差,微帶天線陣列的實測增益通常遠低于理論設(shè)計。

本文研究并設(shè)計了一種C波段平面微帶天線陣列。首先,對C波段雷達微帶天線陣列進行理論研究和模擬仿真,在此過程中,根據(jù)工程要求考慮一些基本的制造因素,包括介電基板的選擇、輻射元件和饋電網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計等[12-14]；然后,在完成微帶天線陣列的初始設(shè)計后,再將制造和測量過程中的一些不確定因素進行優(yōu)化；最后,通過理論與實驗結(jié)果的對比,證明了本文所提出的微帶天線陣列在雷達應(yīng)用中的有效性,可以滿足工程項目的要求。

1 微帶天線陣列基本制造因素的設(shè)計

1.1 介電基板的選擇

介電材料顯著影響微帶天線陣列的性能,因此,微帶天線陣列的第一個設(shè)計步驟就是選擇合適的介電基板,并滿足電氣和機械要求。在選擇介電基板時,應(yīng)考慮許多影響因素,例如介電常數(shù)與溫度的相關(guān)性、損耗正切與頻率的相關(guān)性、介質(zhì)厚度的均勻性、介質(zhì)的各向同性、熱系數(shù)、溫度、可加工性、濕度等[15]。同時,其他一些物理性能,如耐腐蝕性、拉伸和結(jié)構(gòu)強度、柔韌性、抗沖擊性、可成形性等對介電基板的選擇也有重要的影響[1]。

1.2 輻射元件的設(shè)計

雖然微帶貼片天線的形狀可以任意設(shè)計,但矩形貼片仍然是微帶天線陣列中最常用的基本形狀。根據(jù)微帶天線陣列的基本理論[16],矩形貼片的初始尺寸(寬度a和長度b)可以計算如下:

(1)

(2)

(3)

其中,c是光速,fr是諧振頻率,εr是相對介電常數(shù),h是高度,Δl是長度的變化值;εe是等效介電常數(shù)。

公式(1)—公式(3)中使用的矩形貼片交叉極化模式為TMm0。同時,當(dāng)a/b=1.5時,微帶貼片天線的交叉極化可以保持在-20 dB以下。

1.3 饋電網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計

饋電網(wǎng)絡(luò)設(shè)計必須確保被激勵的各貼片天線具有合適的幅度和相位。并聯(lián)饋電網(wǎng)絡(luò)的波束方向不依賴于頻率;串聯(lián)饋電網(wǎng)絡(luò)的波束方向雖然比并聯(lián)饋電網(wǎng)絡(luò)更緊湊,但阻抗和波束方向的變化均較快[1]。為了簡化設(shè)計,本文使用了并聯(lián)饋電網(wǎng)絡(luò)的饋電方式。

微帶貼片天線的饋電經(jīng)常與輻射單元共形,因此微帶貼片天線可以被視為微帶線的延伸[1]。圖1的陣列結(jié)構(gòu)可以激發(fā)出模式TM01[17],但其結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜,很容易產(chǎn)生寄生輻射和相互耦合。因此,本文使用了圖2所示的另一種結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)不但可以激發(fā)出TM10模式,而且在阻抗匹配方面具有更大的靈活性,無須改變饋線的長度。通過選擇正確的參數(shù)a和b,微帶貼片天線的交叉極化也可以保持在-20 dB以下。

圖1 TM01模式和饋電網(wǎng)絡(luò)的2×2子陣列配置

圖2 TM10模式和饋電網(wǎng)絡(luò)的2×2子陣列配置

2 微帶天線陣列仿真設(shè)計

表1列出了本文設(shè)計的微帶天線陣列性能指標(biāo),其中設(shè)計的目標(biāo)增益不能低于25 dB。并聯(lián)饋電矩形貼片陣列的增益G可以近似表示為:

G=10lg4πL2-αL-C1

(4)

其中,L是饋電網(wǎng)絡(luò)的波長數(shù),α是饋電損失的分貝數(shù),C1是饋電不連續(xù)的損失。

通過公式(4)計算可以得出:1)選擇由并聯(lián)饋電網(wǎng)絡(luò)的16×4均勻平面陣列能滿足需求;2)微帶天線陣列的輻射單元尺寸,即寬度a=2.06 cm,長度b=1.63 cm。

為進一步完善微帶天線陣列的仿真設(shè)計,利用全波仿真軟件來優(yōu)化饋電結(jié)構(gòu)參數(shù),利用逐步阻抗匹配方法來提高微帶天線陣列的帶寬。圖3和圖4分別說明了2×2子陣列和16×4微帶天線陣列的幾何形狀。

表1 微帶天線陣列的性能指標(biāo)

圖3 2×2子陣列的幾何形狀(單位：mm)

圖4 16×4陣列的幾何形狀

在阻抗帶寬約為3.5%，駐波比(VSWR)<1.5，陣列增益約為26.5 dB條件下，進行微帶天線陣列的仿真設(shè)計，仿真結(jié)果如圖5—圖7所示。由圖5可知，3種實驗條件下，微帶天線陣列的諧振頻率均呈現(xiàn)2次峰值，當(dāng)陣列覆蓋天線罩后，微帶天線陣列的諧振頻率會略微降低[18]。為了解決這個問題，使設(shè)計的諧振頻率略高于預(yù)期頻率，從而確定了增益、帶寬和諧振頻率合適的基板。由圖6、圖7可知，沒有天線罩時，3種實驗條件下，E平面的半波束寬度約為4°，H平面的半波束寬度約為16°。

圖5 16×4陣列的模擬和實測駐波比

圖6 16×4陣列的理論、模擬和實測E 平面輻射方向圖(沒有天線罩)

3 樣品制造及測試結(jié)果分析

圖7 16×4陣列的理論、模擬和實測 H平面輻射方向圖(沒有天線罩)

除了縝密的仿真設(shè)計外,制造技術(shù)對于保證微帶天線陣列的性能也非常重要。在制造過程中,每個環(huán)節(jié)都需要經(jīng)過嚴格的控制,以實現(xiàn)更高的制造精度。

圖5—圖7將加工原型的測量結(jié)果與仿真結(jié)果進行了比較。阻抗帶寬在沒有天線罩的情況下,仿真結(jié)果和測量結(jié)果之間的差異主要歸因于制造精度。使用天線罩時,阻抗帶寬會如預(yù)期的那樣略微降低,最終,測試結(jié)果滿足了實際工程的要求。圖6和圖7中的輻射結(jié)果在寬邊方向上基本保持一致,但由于實際情況的非理想性,輻射結(jié)果在尾瓣處的差異變得較為明顯。

圖8和圖9展示了微帶天線陣列的E平面和H平面實測輻射方向圖。從圖8和圖9可以看出,在諧振頻率為5.8 GHz下,帶有天線罩的微帶天線陣列在E平面的半波束寬度為4.05°,H平面的半波束寬度為14.89°,E平面和H平面的旁瓣電平分別為-14.05 dB和-13.69 dB,微帶天線陣列最大增益為27.24 dB,表明測量結(jié)果與表1中列出的性能要求之間具有良好的一致性。

圖8 16×4陣列的實測E 平面輻射方向圖

圖9 16×4陣列的實測H 平面輻射方向圖

4 結(jié) 語

本文研究了C波段雷達微帶天線陣列的一些設(shè)計策略和設(shè)計程序,研究結(jié)果表明制作的微帶天線陣列測試結(jié)果與仿真結(jié)果基本吻合,所提出的微帶天線陣列在雷達應(yīng)用中的性能良好,能滿足實際工程的要求,并獲得了高達27.24 dB的天線增益。