S頻段大頻比雙頻相控陣天線單元研究

荀 楊，閆曉珂，李亞明

(1.中國人民解放軍91404部隊，河北 秦皇島 066000；2.中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

S頻段大頻比雙頻相控陣天線單元研究

荀 楊1，閆曉珂1，李亞明2

(1.中國人民解放軍91404部隊，河北 秦皇島 066000；2.中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

基于雙頻段相控陣的需求，設計了一種S頻段大頻比雙頻相控陣天線單元，提出了采用微帶貼片天線和印刷偶極子天線的新型組合，解決了固定陣元間距的工程背景條件下高低頻的共孔徑問題，并實現了高低頻在實空間內均無柵瓣。加工了所設計天線的工程樣機，并對其進行了測試。測試結果表明，該雙頻天線在2.2～2.4 GHz和3.4～3.9 GHz頻段內電壓駐波系數小于1.8，低頻和高頻增益分別大于8 dBi和6 dBi，3 dB波束寬度分別大于60°和80°。

大頻比；雙頻；微帶天線；相控陣單元

0 引言

對于通信的整個發展趨勢來說[1-2]，雙頻相控陣是當前相控陣技術發展的一個重要方向[3-4]。其中，大空域掃描天線系統中的雙頻且寬角覆蓋相控陣天線單元是研制的關鍵技術之一，具有深遠而廣泛的意義[5-6]。

在固定間距條件下，同時要求高低2個頻段在實空間內均無柵瓣出現[7]，這給大頻比雙頻天線單元的設計帶來了巨大的挑戰[8-10]。考慮到工程應用的需要[11]，要求雙頻天線同時具有高增益和寬角覆蓋特性[12]。基于大頻比、高增益和寬角覆蓋的S頻段相控陣列單元應用[13]，本文提出了一種基于微帶貼片天線和印刷偶極子天線新型組合的雙頻陣列單元天線，該陣元天線既可以保證高低2個頻段在實空間內均無柵瓣[14]，又滿足了雙頻段共孔徑的設計要求[15]，具有較低的天線互擾[16-17]。所設計天線的低頻和高頻分別工作于2.2～2.4 GHz和3.4～3.9 GHz，雙頻比超過1.6。所設計的雙頻共口面陣列天線既滿足系統小型化的要求又可以實現多頻段工作[18]，具有很好的應用前景[19-20]。

1 天線結構

本文提出的雙頻共口徑陣元天線結構組成示意圖如圖1所示。低頻天線為微帶貼片天線，位于介質基板幾何中心，高頻天線為線極化天線，由4個端射印刷偶極子天線構成。其中心分別距介質板各邊a/4長度。

圖1 共口徑天線結構

由圖1可知，以此雙頻天線為陣元組成的天線陣列，低頻段的布陣間距為a，而高頻段亦是等間距，為a/2，且高低2個頻段共孔徑。相應于高低頻天線分別具有固定的布陣間距0.73λL和0.58λH。其中，固定布陣間距a為95 mm，λL和λH分別表示低、高頻段中心頻點的空氣波長。可見，本文選擇的結構組成可以使高低頻段同時滿足相控陣的布陣間距要求。天線具體形式及尺寸如圖2所示。

圖2 低高頻天線結構

在圖2(a)、圖2(b)和圖2 (c)中，低頻天線采用2層介質基板，上下兩輻射元均采用方形貼片，2層貼片同心疊層放置，通過調整中間的空氣層厚度及貼片的相對尺寸可以獲得較好的阻抗匹配。在微帶圓極化天線設計中，小的介電常數的板材更有利于實現寬帶寬角的輻射特性，但是當前板材的介電常數基本都在2以上，為此采用了這樣的多層基板技術。頂層和底層材料均采用相對介電常數2.6，厚度均為1 mm的F4B材料。并且將上層引向貼片放在頂層介質板下表面，可以利用頂層介質作為天線罩來保護天線。

對于層疊結構，其介質的等效相對介電常數為：

微帶饋線采用標準50 Ω傳輸線，并采用枝節匹配的方法對天線進一步阻抗匹配。關于上下兩輻射元的初始優化尺寸由經驗公式確定：

圖2(d)是高頻印刷偶極子天線示意圖。高頻天線選擇此類天線形式的原因主要有2個：① 底面投影面積小。在固定的陣元間距下，高頻天線無法采用與低頻天線同種疊層微帶天線形式。原因在于仿真發現在設計好的低頻天線基礎上，沒有足夠的空間擺放4個疊層的微帶天線；② 與低頻天線相互影響小。對于高頻天線，嘗試了不同的天線形式。通過大量的仿真分析，發現如圖所示的印刷偶極子天線與低頻天線的相互影響小。為了使高低頻天線的互相影響最小，最終確定高頻天線的印制板與低頻天線的輻射邊夾角為45°。印刷偶極子與普通偶極子天線類似，當天線長度約為0.5λ時，可以獲得良好的阻抗匹配特性與輻射方向圖。圖2(d)中給出了該天線的結構圖，并標明了最佳的設計尺寸。在圖2(d)中，微帶巴倫在印制板的背面，陣子臂在正面，通過與天線臂間距離約為0.25λ的接地臂實現單向輻射。調節印刷陣子臂的后掠角可以改變天線的場分布，從而改善天線的輻射方向圖。通過優化后掠角的大小可以使E面和H面波束寬度更加對稱。此外，調節后掠角的大小，還可以改善天線的阻抗特性，實現寬頻帶匹配。經仿真優化后，本文確定的后掠角大小為60°。高頻天線用到的印制板與低頻天線相同，相對介電常數2.6，厚度1 mm。通過電磁仿真軟件對天線建模仿真，對各個參數進行優化分析，最終確定天線模型滿足指標要求的一組參數，低頻和高頻天線各個參數如表1所示。

表1 天線尺寸參數 (mm)

2 實驗結果

按照圖2中的雙頻天線結構，加工制作了工程樣機，工程樣機照片如圖3所示。

圖3 工程樣機照片

在微波暗室中對加工的共口徑雙頻天線進行測試，天線的電壓駐波比實測結果如圖4所示。

圖4 雙頻電壓駐波比實測結果

從圖4中可看出，低頻和高頻天線在所要求的工作頻帶內(低頻@2.2～ 2.4 GHz和高頻@3.4～3.9 GHz)，電壓駐波比分別低于1.8和1.6，滿足工程要求。

雙頻天線在2.3 GHz頻點和3.7 GHz頻點方位面和俯仰面的方向圖實測曲線如圖5所示，低頻天線在中心頻點2.3 GHz的3 dB波束寬度為64°，高頻天線在中心頻點3.65 GHz的3 dB波束寬度為84°。

圖5 雙頻天線方向圖實測值

低頻圓極化天線在工作頻帶法向實測軸比值如圖6所示。在整個低頻通帶內，軸比均小于3 dB，最大軸比值1.9 dB。

圖6 低頻圓極化天線軸比實測結果

高低頻天線在工作頻帶內的法向增益實測值如圖7所示。

上文中提到，最終確定高頻天線與低頻天線輻射邊的夾角為45°，即高頻天線極化為斜45°方向。而該天線的工程背景是需要高頻天線的極化形式為垂直線極化，故只測試了高頻天線的垂直線極化分量增益。同樣的布陣口徑下，高頻天線單元個數是低頻天線單元的4倍，所以同樣的陣列口徑下，高頻天線的增益不會低于低頻天線。至于高頻天線的另一水平分量，通過左、右陣元同相位，上、下陣元反相位的方法，可以使其抵消，不會對系統產生干擾。由圖7可以看出，單個高頻天線單元的垂直線極化增益在工作頻帶內大于4.1 dBi；低頻天線單元的圓極化增益在所需頻帶內大于7.5 dBi。

圖7 天線增益實測曲線

3 結束語

本文提出了一種S頻段大頻比雙頻相控陣天線單元，天線高低頻工作頻帶分別為2.2～2.4 GHz和3.4～3.9 GHz，固定布陣間距為0.7λL。在雙頻比超過1.6的情況下，提出了微帶輻射貼片天線和印刷偶極子天線的新型組合，保證了高頻天線在實空間內無柵瓣。同時有效改善了高低頻段的相互干擾與影響，并通過微帶天線疊層技術提高了低頻天線的增益。該天線單元可用于通信系統中需求日益漸多的雙頻相控陣天線設計中，有利于提高通信系統的總體性能。

[1] RYYNANENJ,KIVEKAS K,JUSSILA J.A Dual-Band RF Front-End for WCDMA and GSM APPlications[J].IEEE Jouranl of Solid-State Circuits,2001,36:175-178.

[2] 王平.饋電誤差對相控陣旁瓣電平的影響研究[J].無線電工程,2007,37(1): 38-40.

[3] SUDHAT,VEDAVATHY T S.A Dual Band Circularly Polarized Microstrip Antenna on an EBG Substrate[C]∥IEEE Antennas and Propagation Society International Symposium,2002：68-71.

[4] BOCCIAL,AMENDOLA G.A Dual Frequency Microstrip Patch Antenna for High-precision GPS Applications[J].IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters,2004,3:157-160.

[5] 朱艷玲,劉琳琳,張福順,等.新型共口徑雙頻雙圓極化微帶天線設計[J].微波學報,2007,23(6): 40-43.

[6] 陳曠達,鐘順時,延曉榮.S/X雙波段雙極化共口徑天線陣的設計[J].微波學報,2008,24(6): 65-67.

[7] AXNESST A,COFFMAN R V,KOPP B A,et al.Shared Aperture Technology Development[J].Johns Hopkins Apl Technical Digest,1996,17(3):285-294.

[8] BALANIS C A.Antenna Theory-Analysis and Design[M].New York: John Wiley & Sons,1997.

[9] CHOIJ,KIM T.Microstrip Array Antenna for PCS and IMT-2000 Base Station[C]∥IEEE Antennas and Propagation Society International Symposium,2000:25-28.

[10] RAMESG GARG.Microstrip Antenna Design Hand-book [M].Artech-house,USA,2001

[11] JOSEFSSON L,PERSSON P.Conformal Array Antenna Theory and Design[M].WILEY-IEEE Press,USA,2006.

[12] NSIDHSFHAMK,LI R L,YANG L,et al.A Shared-Aperture Dual-band Planar Array With Slef-Similar Printed Folded Dipoles[J].IEEE Transaction on Antennas & Propagation,2013,61(61):606-613.

[13] 李校林,魏凡童,張大楊.新型單饋共口徑三頻三極化微帶天線的設計[J].電子器件,2015(2):250-253.

[14] 陳斌,梁昌洪.大頻差單饋雙頻雙層微帶天線研究[J].空間電子技術,2008,5(1):77-80.

[15] CHANG T N,HAN Y L.Dual-band Circularly Polarized Antenna Using Combined C-shaped and L-shaped Slots Excited by a Microstrip Line[J].Microwave and Optical Technology Letters,2011,53(5):1041-1044.

[16] 鐘時順.微帶天線理論與應用[M].西安：西安電子科技大學出版社,1991.

[17] 約翰.克勞斯.天線[M].北京：電子工業出版社,2005.

[18] 高嵬.毫米波微帶陣列天線研究[D].成都:電子科技大學,2007.

[19] 薛正輝.陣列天線分析與綜合[M].北京:北京航空航天大學出版社,2011.

[20] MAILLOUX R J.相控陣天線手冊(第2版)[M].北京:電子工業出版社,2007.

StudyonanS-bandDual-frequencyPhasedArrayElementwithHighFrequencyRatio

XUN Yang1,YAN Xiao-ke1,LI Ya-ming2

(1.Unit91404,PLA,QinhuangdaoHeibei066000,China; 2.The54thResearchInstituteofCECT,ShijiazhuangHeibei050081,China)

Based on the requirement of the dual-band phased controlled antennas array,a S-band dual-frequency phased array element with high Frequency ratio is analyzed and designed,and a novel combination of microstrip antenna and printed dipole antenna is proposed.The shared aperture for high frequency and low frequency in the engineering condition of fix element interval is implemented,and no grating lobe exists at low frequency and high frequency.The engineering prototype of the antenna is fabricated and tested.The test results show that this dual-frequency antenna has VSWR of less than 1.8 within the bands of 2.2～2.4 GHz and 3.4～3.9 GHz,and gain of higher than 8 dBi at low frequency and higher than 6 dBi at high frequency,3 dB beamwidth of 60°and 80° at low frequency and high frequency.

large frequency ratio;dual band;microstrip antenna;phased array element

10.3969/j.issn.1003-3106.2017.12.11

荀楊，閆曉珂，李亞明.S頻段大頻比雙頻相控陣天線單元研究[J].無線電工程,2017,47(12):49-52.[XUN Yang,YAN Xiaoke,LI Yaming.Study on an S-band Dual-frequency Phased Array Element with High Frequency Ratio[J].Radio Engineering,2017,47(12):49-52.]

TN822

A

1003-3106(2017)12-0049-04

2017-06-23

國家高技術研究發展計劃(“863”計劃)基金資助項目(2013AA122101)。

荀楊男，(1987—)，碩士，助理工程師。主要研究方向：艦艇作戰應用研究。

閆曉珂女，(1969—)，博士，高級工程師。主要研究方向：雷達與光電探測。