雙極化介質諧振器天線設計與教學實踐

宋立眾, 王 謙, 周輝媛

(1. 哈爾濱工業大學(威海),信息與電氣工程學院,山東 威海 264209；2. 山東航天電子技術研究所, 山東 煙臺 264003)

儀器設備研制與應用

雙極化介質諧振器天線設計與教學實踐

宋立眾1, 王 謙2, 周輝媛1

(1. 哈爾濱工業大學(威海),信息與電氣工程學院,山東 威海 264209；2. 山東航天電子技術研究所, 山東 煙臺 264003)

在電波與天線課程中引入雙極化相控陣天線設計用于驅動教學模式,以方案設計、電磁仿真和加工實驗為手段,開展面向工程應用的實踐教學改革探索,以達到有效提升教學效果的目標。闡述了雙極化相控陣天線的特點和教學應用方法,以雙極化介質諧振器天線的設計為例,進行了中心頻率為5 GHz的天線單元的電磁仿真和加工測試工作。研究結果表明,雙極化介質諧振器天線是一種有效的雙極化相控陣天線單元實現方案,對實際工程應用起到有益的參考作用,同時介質諧振器作為一種新型的天線,在教學方面具有創新性。

雙極化天線； 相控陣； 介質諧振器天線； 實踐教學

“電磁場與無線技術”在無線通信、雷達、遙感、遙測遙控、地球物理探測、電子測量、電子對抗、射電天文與無損探測等方面具有廣泛的應用。“電磁場與無線技術”與其他學科的相互融合,已形成了電磁兼容與環境電磁學、生物電磁學、材料電磁學、地震電磁學等新興邊緣學科,該專業具有旺盛的生命力。電磁場與電磁波、微波技術基礎和天線與電波傳播等課程是本專業的重要課程,它們的特點是課程內容抽象、理論性強,教與學都有難度，教師采用常規教學法難以使學生聽懂,學生在學習的過程中積極性不高[1-2]。實驗與實踐教學是本專業人才培養系統工程中的一個重要環節,對培養學生的實驗能力、實際操作能力、獨立分析和解決問題的能力、創新思維及理論聯系實際能力,具有獨特的地位和作用。因此在教學內容和實踐教學模式等方面,電磁場與無線技術專業都有進行教學改革的必要，國內很多高校都開展了這一方面的研究工作[2-4]。

驅動教學法是實施探究式教學模式的一種教學方法。這種教學模式以項目、任務為教學單元,利用示范、練習和實訓三級項目來貫穿整個教學,可以提高學生的實踐能力、分析能力、綜合能力、應變能力、交流能力、合作能力和解決實際問題的能力,對提高課程教學質量和培養學生的創新能力行之有效。因此,在電磁場與無線技術專業教學中引入項目驅動教學法非常有利。本文通過提煉研究中的科學問題和解決方案,并將項目需求的新概念和新方法加入到課堂理論知識教學中,學生在經過仿真軟件和當前先進的主流微波測試儀表的學習和培訓后,承擔某一單項設計任務,并作為一項成績考核指標,配合教師完成具體的研究任務,在實現項目需求的同時,學生也獲得了工程能力的培養和創新能力的提高。

1 全極化數字式相控陣天線

在天線技術領域,全極化數字式相控陣天線已成為目前發展趨勢和研究熱點,無論是雷達系統還是通信系統,數字式相控陣天線都有著十分廣闊的應用前景[5-7]。數字相控陣天線是一種收、發均采用數字波束形成技術的全數字化相控陣天線,它采取的是在數字域實現幅相加權。與傳統天線陣列相比,數字相控陣具有更大的動態范圍、容易實現多波束、低損耗、低副瓣,相位控制精度高、易于制造、周期壽命費用低等優點[8-9]。因此,電磁場與無線技術專業的學生有必要對這一先進技術的原理、應用、設計方法等有比較深入的掌握。在數字式相控陣天線的基礎上,引入電磁波的極化信息,構成全極化的天線陣列,將進一步顯著提升天線系統的性能,因為該系統能夠感知電磁波的時域、頻域、空域和極化域的全面信息,在電子系統的信號檢測、目標識別、電磁兼容、對子對抗等方面的能力均有增強的可能性。在全極化數字式相控陣天線的設計中,雙極化天線單元的設計是一個重要的環節。一般來說,相控陣天線單元的個數眾多,要求天線陣列具有一定的掃描范圍。在全極化天線體制下,天線單元本身需要是雙極化的,即提供2個正交的極化通道,能夠輻射和感知電磁波的全極化信息[10-12]。因此,根據全極化相控陣天線的安裝空間尺寸以及結構裝配要求,雙極化天線單元需要具有結構簡單、易于饋電、體積小、極化端口隔離特性好等性能。

傳統的雙極化天線主要有雙極化振子天線和雙極化微帶天線等,技術實現手段多樣。近年來,出現了一種可以很好實現小型化的天線形式,即介質諧振器天線，介質諧振器天線具有優良的性能[13-15]。介質諧振器天線采用的微波介質材料一般是指微波介質陶瓷材料,微波介質陶瓷是一種新型功能陶瓷,其優點是損耗低、頻率溫度系數小、介電常數高。介質諧振器天線可采用介電常數數值很大的材料,可以實現天線的小型化。由于介質諧振器的材料的損耗通常非常小,并且沒有表面波損耗,除了接地部分外整個表面都會發生電磁波輻射,所以介質諧振器天線的輻射效率一般很高。陶瓷介質材料可設計成多種三維幾何形狀,方便與集成電路連接。介質諧振器天線的饋電方式簡單,饋電方式多樣,例如微帶線饋電、波導縫隙饋電、同軸探針饋電以及共面波導饋電。介質諧振器天線能夠承受比較大的功率,其最大能夠承受的功率與天線的激勵特性有關；介質諧振器天線適合于在陣列中應用,介質諧振器天線能夠激勵起各種不同的電磁場模式,產生需要的輻射方向圖[16-18]。因此,本文以介質諧振器天線作為全極化相控陣天線的單元設計方案,開展雙極化介質諧振器的設計和實驗研究工作。本文討論的以雙極化介質諧振器為研究對象的實踐教學過程見圖1。

圖1 雙極化介質諧振器天線研究的實踐教學過程

2 雙極化長方體介質諧振器天線的結構和仿真

長方體形狀的介質諧振器天線(DRA)是一種具有基本結構的介質諧振器天線形式,設計靈活、結構簡單,適合于實際應用。其基本結構參數包括深度d、寬度w和高度h。當給定介質的介電常數和工作頻率時,按照電氣性能指標的要求,w/d和w/h的比值可以獨立調節,這給設計帶來很大的方便。長方體DRA的結構如圖2所示。

圖2 長方體DRA的結構示意圖

在介質諧振器天線的基本設計中,長方體介質的四壁可假設是理想的磁壁,磁場和電場在上下表面都假設為具有連續分布的形式。矩形介質諧振器天線的工作模式有TE模式和TM模式,在實際的應用中,TE模式的激勵方式較多。長方體介質諧振器天線支持TEx模式、TEy模式和TEz模式,這些模式的輻射方向圖與短磁極子在x、y和z方向上的輻射方向圖相似。長方體DRA的諧振頻率、帶寬、駐波比和輻射方向圖等指標參數與天線尺寸參數d、h和w有關。一般情況下,可假設d、h和w之間滿足關系式:

(1)

(2)

式中：

(3)

(4)

(5)

(6)

上述的計算模型適用于介質材料的介電常數較低的情況,對于高介電常數的介質材料,需要采用介質波導模型,此時需要將物理尺寸的參數替代為有效尺寸來計算。

本文設計的雙極化介質諧振器天線采用同軸電纜探針饋電,微波電纜接頭從平臺的金屬底板底部引出,即為底饋形式,滿足主動天線的陣列布局要求。本文采用正交雙探針激勵介質諧振器天線,在 DRA 中激勵出相互正交的場模式,以實現雙極化的輻射場。饋電探針位于在介質材料的外表面,探針和介質諧振器是緊密接觸的,這種饋電方式不需要在介質諧振器上鉆孔,加工簡單,在介質高度不小于其他尺寸中最大值的一半時,探針和介質之間可以實現較好的耦合。本文設計的雙極化長方體DRA結構模型見圖3。本DRA的工作頻率為5 GHz。介質的相對介電常數為10.2,選擇國產板材；采用三維電磁仿真軟件CST對設計的雙極化DRA進行優化和仿真,得到的介質諧振器的橫截面為正方形,長度和寬度相等,都為12.12 mm,高度為11.4 mm,地板為圓形,直徑為60 mm。天線工作波長為60 mm,由于引入了高介電常數的介質材料,天線的尺寸顯著減小,實現了小型化效果,這對于組成大型相控陣列是有利的。

圖3 雙極化長方體DRA的結構模型

3 雙極化長方體介質諧振器天線的仿真結果

在本文設計的雙極化DRA中,饋電結構是對稱的,定義在x軸上的同軸線端口為端口1,在y軸上的同軸線端口為端口2。本文僅給出端口1的仿真結果。仿真得到的端口1的電壓駐波比(VSWR)見圖4,2個極化端口之間的隔離度見圖5。可以看出,4.95 GHz至5.05 GHz的工作頻率范圍內,本文設計的雙極化介質諧振器天線的2個極化端口的電壓駐波比都小于2,2個極化端口之間的隔離度(SPM)大于20 dB。因此,該天線的輸入端的電路特性同時滿足雙極化天線的設計要求。但是,該天線的電壓駐波比和端口隔離度帶寬均較窄,適合于窄帶工作情況。

圖4 長方體DRA的VSWR仿真結果

圖5 長方體DRA的端口隔離度的仿真結果

圖6—圖8分別為本文設計的雙極化長方體介質諧振器天線在3個典型工作頻點的輻射方向圖的仿真結果,由于饋電端口的對稱性,本文在此僅給出端口1的輻射方向圖。在每個工作頻點上,分別給出了三維增益、三維軸比(AR)方向圖以及xoz和yoz面上的二維方向圖。本天線的輻射增益在整個工作帶寬內大于7 dB,方向圖對稱性較好,主輻射方向的軸比大于22 dB,滿足雙極化天線的極化特性要求。在xoz面上,天線的輻射方向圖的波束寬度在75°～77°之間；在yoz面上,天線的輻射方向圖的波束寬度在73°～74°之間，2個平面內的方向圖波束寬度基本一致,且都隨著頻率升高方向圖略微變窄,方向圖形狀基本是恒定的,適合于陣列掃描條件下的應用。由此可見,本類型天線的輻射方向圖具有對稱寬波束的性質,適合用作雙極化相控陣天線陣列的單元天線。

4 雙極化長方體介質諧振器天線的測試

根據設計結果,本文加工了長方體雙極化DRA,如圖9所示。應用矢量網絡分析儀測試了天線端口的電壓駐波比和極化端口的隔離度,端口1的電壓駐波比和極化端口隔離度的測試結果分別見圖10和圖11,在5 GHz的電壓駐波比約為1.72,端口隔離度約為-22 dB,測試結果與仿真結果基本吻合。

圖6 頻率4.95 GHz時長方體DRA的輻射方向圖仿真結果

圖7 頻率5 GHz時長方體DRA的輻射方向圖仿真結果

圖8 頻率5.05 GHz時長方體DRA的輻射方向圖仿真結果

圖9 加工的長方體雙極化DRA

圖10 長方體DRA的VSWR測試結果

進行了雙極化長方體DRA的輻射方向圖測試,在3個典型工作頻點上的一個極化端口的輻射方向圖測試結果見圖12—圖14。在工作頻帶內,加工的雙極化長方體DRA實現了有效輻射效果,方向圖得以形成。測試的方向圖對稱性較好,在2個正交主平面的波束寬度大于70°,增益大于3.8 dB；在中心頻率上,主輻射方向圖的交叉極化電平低于-17 dB。測試結果略低于仿真情況,這是由于加工和裝配誤差、測試系統誤差以及測試環境中電磁干擾引起的。但是測試結果反映了電磁仿真的結果,驗證了設計的正確性。

圖11 長方體DRA的端口隔離度的測試結果

5 結語

全極化相控陣天線由于具有優良的工作性能，越來越獲得關注并成為未來天線領域的發展趨勢,寬波束小型化的雙極化天線單元是全極化相控陣系統設計的關鍵環節之一。本文提出以雙極化介質諧振器天線為相控陣天線單元的設計思路,該天線單元方案具有便于實現天線小型化、結構簡單、性能穩定和適合于工程應用的優點。另外，本文以本專業教學改革為背景,探索項目驅動下的實踐教學模式,針對小型化、雙極化介質諧振器相控陣單元研制的任務,開展創新理論教學、主流技能培訓和實際工程設計等方面的創新教學模式。通過雙極化介質諧振器天線的設計、仿真、加工和測試工作,驗證了介質諧振器天線作為相控陣單元的可行性,實驗結果達到了預期的要求,可以為該實際工程應用提供技術參考。

圖12 頻率4.9 5GHz時的長方體DRA方向圖測試結果

圖13 頻率5 GHz時的長方體DRA方向圖測試結果

圖14 頻率5.05 GHz時的長方體DRA方向圖測試結果

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Design of dual-polarized dielectric resonator antenna and teaching practice

Song Lizhong1, Wang Qian2, Zhou Huiyuan1

(1. School of Information and Electrical Engineering, Harbin Institute of Technology (Weihai Campus), Weihai 264209, China; 2. Shandong Institute of Aerospace Electronics Technology, Yantai 264003, China)

It is proposed that a project-driven teaching mode for the dual-polarized phased array antenna is introduced into the Radio Wave and Antenna course, and by means of the scheme design, the electromagnetic simulation and the machining experiment, the practical teaching reform on engineering application is carried out so as to achieve the goal of improving teaching effectiveness. The characteristics and teaching methods of the dual-polarized phased array antenna are described. By taking the design of the dual-polarized dielectric resonator antenna as an example, the electromagnetic simulation and the processing test of the antenna unit with center frequency of 5 GHz are carried out. The research results show that the dual polarized dielectric resonator antenna is a good scheme to realize the dual-polarized phased array antenna unit, providing some useful references for the real engineering application. At the same time, as a new type of the antenna, the dielectric resonator is innovative in the teaching.

dual-polarized antenna； phased array; dielectric resonator antennas; practical teaching

10.16791/j.cnki.sjg.2017.08.018

2017-02-08 修改日期：2017-04-14

哈爾濱工業大學(威海)教育教學改革研究項目(BK201610),航空科學基金項目(20160177005)；國家自然科學基金面上項目(61571154)

宋立眾(1975—),男,遼寧沈陽,教授,博士生導師,研究方向為無線技術、電磁場與微波技術、雷達技術.E-mail：songlizhong@hitwh.edu.cn

TN821；G642.0

A

1002-4956(2017)08-0067-07