一种宽波束相控阵天线单元

本天线单元是在微带贴片上开 U 形缝隙 ,其 在结构上的特点是非常简单 ,可以获得较小的天 线尺寸 。这种结构的微带天线由于具有 U 形缝 隙 ,缝隙边缘电流引入了附加谐振 ; 同时 ,缝隙也 引入了容抗 ,与探针的感抗相抵消 ,从而展宽了带 宽[729 ] 。
U 形贴片与接地板由矩形贴片短路相接 , 起反射器作用 ,且压缩了寄生 U 形贴片的尺寸 ,起 到展宽波束宽度的作用 。U 形缝隙使得天线在水 平及垂直方向都有辐射 ,也起到了展宽波瓣宽度 的作用 。同时 , 我们利用单极天线在 φ方向的全 向特性 , 使矩形馈电贴片与同轴馈电内导体构成 顶端加 载 单 极 天 线 , 进 一 步 展 宽 了 天 线 的 波 束 宽度 。
1 58
雷达科学与技术
第 5 卷第 2 期
BW = f0 = VSWR - 1
(1)
Q Q VSWR
由式 (1) 可知 ,当天线的中心频率处电压驻波比一
定时 ,减小天线品质因数是展宽天线带宽的唯一
途径 。而天线品质因数 Q 为
Q≈
εr (
1 h
120λ0 Kr
-
3. 4 λ0
εr -
1)
+π1h
效磁流为
M s = Ez^ez ×^n
(15)
式中 , ^n 是辐射缝所在磁壁的法向单位矢量 。计入 接地板引起的 Ms 正镜像 , 则其在远区场的电矢位 可由式 (16) 求得 :
∫ F
=
1 4π
Ms
v
e - jk0 r d v r
(16)
这样 ,远区辐射场为
E = - ×F
H
=
j
ωμ
×E
(17)
正切 tanδ的增大而增大 , 随着介电常数εr 的增大
而减小 。
图 1 给出了宽波束天线单元的结构示意 。该 单元贴片由一个矩形馈电贴片和一个等臂 U 形寄 生贴片组成 , U 形贴片与接地板之间由一矩形贴 片短接 。辐射贴片与接地板之间是一个高度 h 的
空气腔 , 在 U 形贴片两臂端和馈电矩形贴片一端 用聚四氟乙烯 (相对介电常数为 2. 2) 介质销钉加 以固定 。辐射贴片与 U 形贴片两臂间的缝隙均为 s1 , 与 U 槽底缝隙为 s2 。天线采用 50Ω 同轴馈电 , 贴片厚度均为 0. 02λ。
z
= 0,h时,
5 Ez 5z
=0
y=
y0 时 ,
Hx
=
0,
5 Hy 5y
=0
y=
y1 , 0
<
x
<
x1 时 ,
Hx
=
0,
5 Hy 5y
=0
(4)
y = y0 + b 时 , Ez = 0
x
= 0,
a/
2
时,
5 Hx 5x
= 0,
Hy
=0
x
=
x1 ,
y0
<
y
<
y1
ห้องสมุดไป่ตู้时,
5 Hx 5x
= 0,
Hy
=0
由于馈源电流 J = ^ez J z , 且不随 z 坐标改变 ,
1 引言
相 控 阵 天 线 技 术 以 其 独 特 的 无 惯 性 波 束 扫 描 、方便快捷的波束调度和能量管理等优势在雷 达和通信等方面得到了广泛的应用 ,而天线单元 作为相控阵天线的重要组成部分 ,其性能直接影 响相控阵天线的性能 。天线单元的选取不仅要满 足工作频段 、带宽 、耐功率和极化等要求 ,而且在 阵中的方向图应满足最大扫描角的要求[1] 。
2(
(2 n + 1)π y0 + b - y1 )
3
( y - y1 ) , (0 ≤ x ≤ x1 )
g ( x , y) =
∞
∑η2m co s kx2m ( x - a/ 2) 3
m =0
(12)
co s
(2
m+ 2b
1)π(
y
-
y0 ) ,
( x1
≤ x ≤ a/ 2)
进而得到 U 形腔的内场分布为
4 仿真与实验结果
在对该天线单元分析后 ,我们设计制作了一 个天线单元 ,并用 A nsof t H FSS 8. 0 仿真软件对 其进行了优化 ,优化后的结构尺寸由表 1 给出 。
表 1 天线单元的结构尺寸
λ
结构尺寸 L 尺寸数值 0. 24
结构尺寸 W 尺寸数值 0. 31
L1
L2
L3
L4
L5
s1
h
0. 1 0. 14 0. 14 0. 03 0. 05 0. 015 0. 07
W1 W2 W3 W4 W5
s2
0. 2 0. 055 0. 03 0. 11 0. 025 0. 02
通过测试 , 验证了天线的宽频带 、宽波束特 性 。天线实物见图 3 。天线测试结果示于图 4 和 图 5。
→
E( r T)
= Ez ( x , y) ^ez
= k2T g ( x , y) ^ez
(13)
→
H ( r T)
= H x ( x , y) ^ex + H y ( x , y) ^ey
=
jωε g ( x , y) ×^ez
(14)
由 U 形腔的内场分布可得到 U 形贴片的辐
射场 ,其中 U 型贴片与矩形贴片间的辐射缝的等
式中 ,
λ0 120σc
+ tanδ
-1
( 2)
1 45λ20
a b
,
a
<
0 . 35λ0
Kr =
1 60λ0
1 b
-
1 30 abπ2
,
0 .
35λ0
<
a < 2λ0 (3)
1 60λ0
1 b
,
2λ0
<
a
由式 (1) 、(2) 、(3) 可以得出 : 微带天线的带
宽 B W 随着贴片长宽比 a/ b、基板厚度 h、介质损耗
第2期 2007 年 4 月
Ra
da
r
雷达科学与技术
S cienc e and Te c hnology
Vol. 5
Ap ril
No . 2 2007
3
一种宽波束相控阵天线单元
郭 琳1 , 朱小三1 ,2 , 邹永庆1
(1. 中国电子科技集团公司第三十八研究所 ,安徽合肥 230031 ; 2. 安徽大学电子科学与技术学院 ,安徽合肥 230039)
图 1 天线结构示意图
3 理论分析
从天线单元的结构可以看出 , U 形贴片与接 地板和介质基板构成的空间与一般的脊波导相比 只有边界条件的不同 ,可视为一个 U 形脊波导腔 ,
因此可用腔模理论及模匹配理论对其进行分析 。 现对 U 型结构建立坐标如图 2 所示 。
图 2 U 型贴片结构
贴片上下两壁为电壁 , y = y0 + b 处由金属片 与地板短路相接 , 其他三面都是磁壁 。U 形波导 腔右侧边界条件如下 :
天线单元电压驻波比在 Agilent8719 ES 矢量 网络分析仪上测得 ,结果如图 4 所示 。该天线单元 可工作在 2. 15～3. 5 GHz 频率范围内 ,具有很好 的宽频带特性 。
关键词 : 天线单元 ; 宽波束 ; 相控阵 ; 宽角扫描 ; U 形贴片
中图分类号 : TN821 + . 8 文献标识码 :A 文章编号 :167222337 (2007) 0220157204
A Wide2Beam Antenna Element f or Phased2Array
GUO Lin1 , ZHU Xiao2san1 ,2 , ZOU Yong2qing1 (1. N o. 38 Research I nstit ute of Chi na Elect ronic Technolog y Cor poration , He f ei 230031 , Chi na; 2. I nstit ute of Elect ronic S cience an d Technolog y , A nhui Uni versit y , He f ei 230039 , Chi na) Abstract : Fo r t he p hased array antennas , wide2beam of antenna element is t he p reconditio n fo r wide2 angle scanning. A U2shape patch element for p hased array antennas wit h wide2beam bot h in E2and H2planes is p resented in t his paper. The element is analyzed by cavity model t heo ry , optimized by H FSS 8. 0 simula2 ting software , fabricated and tested. The measured result s indicated t hat t he element has 110°beam widt h bot h in E2and H2planes , and t he measured result s are agreed well wit h simulatio n ones. This p roves t hat t he element can be used fo r p hased array antennas. Key words : antenna element ; wide2beam ; p hased array antenna ; wide2angle scanning ; U2shape patch
据此 ,可得电磁场为
→
E( r)
= φ′( z)
→
f ( r T)
+ k2T g ( rT)φ( z) ^ez (10)
→
H( r)
=
jωεφ( z)
→
g( r T)
×^ez
(11)
通过计算模式本征值及展开系数 ,可得到势
分布函数为
∑∞ η1nco s
n=0
k x1n x
co s
所以腔 内 只 有 电 赫 兹 矢 量 , 它 可 表 示 成 如 下 形
式[5] :
Πe
=
g
(
→
rT
)φ(
z
)
^ez
(5)
式中 ,
→
g( r T)
是关于横行变量
x 、y 的标量函数 ,
φ( z) 是关于纵向变量 z 的标量函数 , 它们满足波
动方程 :
2
→
g( r T)
+
k2T
g
(
→
rT
通常使用的天线单元有终端开口的波导 (或 喇叭) ,接地平面上的偶极子天线 、微带天线和缝 隙天线等[2] 。其中 ,微带天线因具有体积小 、重量 轻 、剖面低 、馈电方式灵活 、花费少 、易与飞行器共 形等优点而深受人们的青睐 。尤其是它的低剖
面 、易与飞行器共形的特点 ,可使载体具有优良的 气动力学特性 ,所以在飞行器上选用这种天线非 常有利 。但是一般的微带天线单元带宽窄 ,并且 仅在单个的 E 面或 H 面具有较宽的方向图[324] ,并 不能满足在方位和俯仰上都进行宽角扫描的二维 相控阵天线的要求 。本文提出的宽波束微带相控 阵单元其驻波带宽大于 35 % ( V SWR < 1. 5) ,在 E 面和 H 面都有很好的宽波束特性 ,波束宽度均达 110°,能满足二维相控阵宽角扫描特性的要求 ,而 且天线为平面结构 ,易于加工 ,易于与载体共形 , 用途广泛[526 ] 。
摘 要 : 对于宽角扫描相控阵天线 ,天线单元的宽波束特性是保证相控阵天线宽角扫描的前提条件 。 该文介绍了一种在 E 面和 H 面都具有宽波束特性的 U 形贴片相控阵天线单元 。用腔模理论分析了该天线 单元 ,并用 H FSS 8. 0 仿真软件对该天线单元进行了有效的优化 。对加工的天线单元作了测试 ,结果显示测 试值与仿真值吻合较好 。实测波束宽度在 E 面和 H 面都达到 110°,验证了该天线单元的宽波束特性 ,说明 其适用于二维宽角扫描相控阵天线 。
(9)
Φ = - ·Πe
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2007 年第 2 期
郭琳 :一种宽波束相控阵天线单元
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2 天线单元的设计
对于微带天线 ,其带宽为
收稿日期 : 2006204213 ;修回日期 : 2006209210
3
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)
=0
(6)
φ″( z) +γ2φ( z) = 0
(7)
这里 k T 是 U 形波导的一个特征值 , 而γ是传输常
数 , 满足 :
γ = k20 - k2T , k0 > k T
(8)
γ=-
j
k
2 T
-
k20 , k0
< kT
矢量电位 A 和标量磁位Φ 与磁赫兹矢量的关
系如下 :
A
= εμ0
5Πe 5t