新型雙波段共面微帶/波導單脈沖天線設計

姚鳳薇　田曉青　商遠波

(上海電機學院電子信息系,上海 201306;2.電磁散射重點實驗室,上海 200438)

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新型雙波段共面微帶/波導單脈沖天線設計

姚鳳薇1,2田曉青2商遠波2

(上海電機學院電子信息系,上海 201306;2.電磁散射重點實驗室,上海 200438)

摘要提出了一種新型共面雙波段單脈沖天線設計方法,分別給出了兩個頻段的駐波曲線和輻射方向圖的測試結果．該天線在有限的空間內采用小型化邊緣饋電的微帶天線陣列與波導縫隙天線陣列復合,實現了兩個頻段的單脈沖天線共口徑排布,天線厚度29 mm,重量小于1 kg.測試結果表明該新型雙波段單脈沖天線能夠在X、K兩個特定頻段下分別得到-19 dB和-22 dB的副瓣性能及38%和45%的輻射效率,實現了與單模相當的單脈沖方向圖性能,滿足了未來復合制導系統對高性能天線的需求.

關鍵詞共面;單脈沖;雙波段;副瓣

DOI10.13443/j.cjors.2015031901

Design of a new dual-band co-plane microstrip/waveguide monopulse antenna

YAO Fengwei1,2TIAN Xiaoqing2SHANG Yuanbo2

(1.SchoolofElectronicInformationEngineering,ShanghaiDianJiUniversity,Shanghai201306,China;2.ScienceandTechnologyonElectromagneticScatteringLaboratory,Shanghai200438,China)

Abstract A new dual-band co-plane microstrip/waveguide monopulse antenna is presented with its measured voltage standing wave ratio (VSWR) curve and radiation patterns. Based on the development of a new microstrip line array fed at the side and a novel compact slot patch antenna loaded with a pair of spirals, a dual-band co-plane monopulse antenna is realized with 29 mm height and less than 1 kg weight. The measured side-lobe level is lower than -19 dB and -22 dB in X-and K-band and the measured efficiency reaches 38%and 45% respectively, which is in a similar level of single band monopulse antenna. The measured results confirm the validity of this design and this antenna can meet the need of dual mode compound guidance system in future.

Keywordsco-plane; monopulse; dual-band; side-lobe

引言

復合制導系統具有作用距離遠、抗干擾能力強等優點,已成為精確制導武器的重要發展方向.雙波段單脈沖天線作為復合制導系統的關鍵部件,其性能的優劣將直接影響系統的抗副瓣截獲、抗雜波等綜合作戰能力,已經成為國內導彈技術研究的熱點之一,具有很好的研究前景與實用意義.

傳統的雙波段單脈沖天線采用卡塞格倫天線形式,設計簡單但縱向尺寸較大,效率較低,不適合彈載及星載應用[1-4].近年來,通過研究者的不斷努力,雙頻段單脈沖天線綜合性能逐漸提高,如雙波導復合的雙頻單脈沖天線,兩頻段天線效率達到40%,但天線厚度為40 mm,重量為1.2 kg[5].波導與微帶復合的雙頻段單脈沖天線,質量較輕,若微帶幅射陣面與和差網絡共面加工,單元與饋線耦合較大,微帶天線副瓣-10 dB左右[6];若將和差網絡與微帶陣面分層排布可以解決耦合問題,但微帶天線從中心穿過波導天線向下饋電,會破壞波導天線陣面幅度分布,導致波導天線副瓣性能下降.

本文提出了一種新型的波導微帶復合天線,采用的小型化邊緣饋電微帶陣列設計克服了上述問題,在一個空間內實現了X波段、K波段雙波段單脈沖天線設計,該天線質量輕,剖面低,經過試驗驗證,單脈沖性能優越.下面給出分析及測試結果.

1雙波段天線理論設計

雙頻單脈沖天線中X波段微帶輻射陣面印刷在相對介電常數εr=2.2,厚度為0.16 cm,介質損耗tan為0.000 9的介質板上,置于復合天線最前端.K波段天線采用傳統的波導縫隙天線形式,波導天線表面充當微帶板的接地面.微帶天線單元與波導輻射縫隙交叉排列,串聯的邊饋微帶天線通過饋電同軸在陣面邊緣與波導功分和差網絡連接,避免了從波導陣列中心向下打孔對其陣面幅度分布的影響.

1.1X波段天線設計

1.1.1微帶天線單元設計

傳統的微帶天線單元諧振尺寸與頻率成正比,為了能與波導輻射縫隙交叉排列必須對天線單元進行小型化設計.

在微帶天線小型化設計中,表面加載縫隙是天線尺寸減縮的有效方法之一[7-8].如圖1所示,本設計在貼片左右對稱加載了兩個縫隙,縫隙切斷了原先的表面電流路徑,使電流繞槽邊曲折流過而路徑變長,相當于增加了天線的有效尺寸,使天線諧振頻率降低,實現了單元小型化設計.

(a) 矩形貼片天線

(b) 自加載小型化微帶天線圖1　天線單元表面電流分布示意圖

考慮到微帶板安裝的平整度,最初選用2 mm厚的介質板,但采用Ansoft HFSS計算時發現厚的介質板會降低下層波導縫隙天線的輻射效率,綜合考慮,最終選取了1.5 mm厚的介質板.但當介質板厚度降為1.5 mm時,金屬貼片與地板之間的電容增強,輸入阻抗偏容性,微帶單元阻抗失配,因此必須引入新的電感分量來補償由于厚度變薄帶來的電容增強.基于上述分析,如圖1(b)所示，本設計在貼片單元兩端自加載了兩個簡單的螺旋電感,輸入阻抗的感性分量得到了有效補償.

根據計算本設計給出的自加載縫隙微帶天線單元比普通矩形貼片減小了40%,阻抗帶寬為5.1%[9].

1.1.2邊緣饋電的微帶天線陣列設計

如圖2所示,天線方位面采用串聯饋電形式,陣列從邊緣饋電,陣列中心短路.短路點距最近的貼片距離為四分之一介質波長,相當于電磁波從饋電點饋入到短路點反射后與之前的能量同向疊加.每個單元的幅度大小通過添加四分之一阻抗變換段調節.由于陣列中心短路,改變了陣列的輸入阻抗,因此饋電點處添加了阻抗匹配枝節.考慮到微帶網絡的損耗較大,天線俯仰面采用波導功分網絡,通過饋電同軸在陣面邊緣與每個微帶線陣連接.

圖2　邊緣饋電的微帶天線線陣示意圖

1.2K波段天線設計

K波段天線采用諧振式波導縫隙天線形式,每個縫隙的中心間距取λg/2(λg為導波長),為了實現高效率,每根波導終端短路,形成駐波陣.

由于縫隙天線表面加載了介質板,在縫隙天線計算時需考慮介質板的厚度和介電常數帶來的影響.在Ansoft HFSS 軟件中建立如圖3所示模型,該段波導用空氣填充,表面加載厚1.5 mm介電常數2.2的介質板,波導總長3λg/4,距離縫隙中心λg/4是波導的終端短路板,另一端距離縫隙中心λg/2處為激勵波端口.根據陣面的幅度分布大小確定每個縫隙的導納值,可以計算出每個縫隙的偏移量和長度[10].

圖3　單個縫隙計算模型

1.3雙波段天線設計

X/K雙頻段復合天線口面分別采用-25 dB和-35 dB的Taylor口徑分布,分層模型如圖4(a)所示.小型化后的微帶邊饋陣列與波導縫隙陣列交叉排列實現雙頻段天線的共口徑排布,兩天線極化相同.

如圖4(b)所示,兩頻段和差網絡均采用波導結構,每個和差器由4個波導魔T構成,在將天線的陣面劃分成4個象限后,利用魔T的正交特性信號經和差比較器產生和信號、方位差信號與俯仰差信號.為了合理空間布局,K波段和差網絡在中心排布,X波段天線和差網絡排布在陣列邊緣一周.

加工得到的雙頻段復合天線厚度29 mm,重量小于1 kg.

(a) 天線分層圖

(b) 兩頻段和差網絡分布圖圖4　雙波段天線結構示意圖

2天線測試結果分析

對加工好的雙頻段單脈沖天線進行了測試,駐波系數曲線如圖5、6所示,X波段天線在所要求的頻帶內小于2.0,K波段天線在所要求的頻帶內小于1.6.

圖5　X波段天線駐波系數實測曲線

兩波段中心頻率測試方向圖如圖7、8所示,由于受到X波段高次模的影響,K波段天線方位面和俯仰面在±45°左右副瓣均有抬高,實際測得的中心頻率副瓣低于-22 dB,零深小于-30 dB,輻射效率為45%.

X波段天線測試得到的副瓣低于-19 dB,零深小于-28 dB,輻射效率為38%.在安裝中,饋電同軸通過螺釘與下層俯仰面功分網絡固定連接,安裝帶來的不一致在相鄰微帶線陣間引入了一定的相差,因此導致X波段天線副瓣和效率性能略有下降,可以通過改進結構來減小安裝帶來的相位差,這尚待研究.

(a) 方位面

(b) 俯仰面圖7　K波段天線中心頻率和差方向圖

(a) 方位面

(b) 俯仰面圖8　X波段天線中心頻率和差方向圖

3結論

通過提出小型化自加載微帶天線單元、邊緣饋電微帶天線陣列等新型設計,實現了一種X和K雙波段單脈沖復合天線設計,解決了現有雙頻段天線中縱向尺寸大、質量大、綜合性能較差的問題.根據測試K波段和X波段天線副瓣、零深、效率等關鍵性能與單頻單脈沖天線性能相當.這種新型的復合形式充分發揮了波導陣列天線和微帶陣列天線的各自優點,滿足復合制導系統對高性能天線的需求．

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姚鳳薇(1979-),女,安徽人,博士,主要研究方向為微帶天線智能天線和電磁場理論等方面的研究．

田曉青(1987-),女,江蘇人,碩士,主要研究方向為微帶天線、微波電路等．

商遠波(1981-),男,山東人,碩士,主要研究方向為波導天線和多頻復合天線設計．

作者簡介

中圖分類號TN821

文獻標志碼A

文章編號1005-0388(2016)01-0180-05

收稿日期：2015-03-19

姚鳳薇, 田曉青, 商遠波. 新型雙波段共面微帶/波導單脈沖天線設計[J]. 電波科學學報,2016,31(1):180-184.DOI: 10.13443/j.cjors. 2015031901

YAO F W, TIAN X Q, SHANG Y B. Design of a new dual-band co-plane microstrip/waveguide monopulse antenna[J]. Chinese journal of radio science,2016,31(1):180-184. (in Chinese). DOI: 10.13443/j.cjors.2015031901

資助項目: 國家自然科學基金(61201116)

聯系人： 姚鳳薇 E-mail：jojoyao@163.com