寬頻帶低剖面微帶天線應用

榮志鵬，李麗嫻，邵曉龍，印 倩，張耀丹

(上海航天電子通訊設備研究所，上海 201109)

0 引言

特殊雷達對天線尺寸有嚴格限制，天線的小型化設計顯得格外重要[1]。傳統二次雷達天線采用微帶陣子的形式，為了降低剖面尺寸，微帶陣子天線已經不能滿足實際使用需求。微帶天線具有剖面薄、體積小、重量輕等優點[2-3]。采用L形探針耦合微帶貼片的設計方式，降低了剖面高度，縮小了天線尺寸，進而減小了雷達的尺寸；但是微帶天線具有阻抗帶寬窄的缺點，限制了微帶天線的應用，L形探針耦合饋電方式還具有寬帶特性，利用探針水平臂與貼片形成的電容抵消探針的電感，來提高天線帶寬[4-6]。本文首先介紹了微帶天線的基本原理以及設計方法，其次介紹了微帶天線的4種主要的展寬頻帶的技術，接著設計了L形探針耦合微帶貼片單元并設計了6元天線直線陣列，最后加工并測試了直線陣，性能滿足指標要求。

1 微帶天線設計原理

1.1 工作原理

如圖1所示，矩形微帶貼片尺寸為a*b，介質基片厚度h<<λ。

該貼片可以看成寬為a，長為b的一段微帶傳輸線。沿長度b方向的終端呈現開路，因而形成電壓波腹，即貼片與接地板之間內場的電場強度 |E|最大。一般取b=λm/2，λm是微帶線上波長。于是b邊另一邊也是電壓波腹。天線的輻射主要由貼片與地板間沿這兩端的a邊縫隙形成[7-9]。等效電路如圖2所示。

圖2 矩形貼片等效電路模型Fig.2 Rectangular Patch Equivalent Circuit Model

1.2 微帶尺寸估算

天線中心頻率為f0，介質基片的相對介電常數為εr，根據式(1)可以估算出天線的寬w，即：

(1)

式中，c是光速。天線的長度L一般取λe/2，λe為介質波長。λe可以由式(2)得到，即：

(2)

考慮邊緣效應，實際L為：

(3)

式中，εe是有效介電常數；ΔL是等效輻射縫隙寬度[10-12]。它們可利用公式計算：

(4)

(5)

2 微帶天線寬頻帶技術

微帶天線固有的缺點是頻帶窄。造成此缺陷的主要原因是其阻抗特性。為了增加微帶天線的阻抗帶寬，目前主要有4種方法[13-15]：

① 降低等效電路的Q值；

② 修改等效電路為多調諧回路：附加寄生貼片，加載縫隙等；

③ 改進饋電方法：電磁耦合饋電、L形探針耦合饋電等；

④ 采用陣列技術，采用對數周期陣結構或行波陣等。

方法1降低等效電路Q值，主要是增大介質厚度h，降低介質相對介電常數εr，但是增大h會導致剖面增大，而降低εr會導致微帶貼片尺寸增大。方法2的附加寄生貼片會導致微帶貼片尺寸增大，加載縫隙會導致方向圖指向發生偏移。方法4是采用陣列技術。這里采用方法3中的L形探針耦合饋電，既能滿足尺寸要求，又能滿足帶寬要求。

3 L形探針耦合微帶貼片的設計

天線帶寬為f0-f3，要求天線的駐波在頻帶f0-f3內小于1.8，在f1-f2頻帶內小于1.5，其中f0

圖3 上層貼片Fig.3 Upper layer patch

圖4 L形探針與貼片的幾何關系Fig.4 Geometric relationship between L-shaped probe and patch

根據公式計算，結合軟件仿真，微帶貼片尺寸為a*b，泡沫厚度為h，L形探針垂直臂長度為d，水平臂長度為m，探針直徑為R。

在此基礎上，設計了一款6元的天線陣列，如圖5所示。

圖5 天線陣列Fig.5 Antenna array

3.1 仿真結果

仿真過程中，調整優化各個參數值，得到滿足要求的駐波，如圖6所示，為左半邊天線單元各口的駐波。

圖6 天線駐波Fig.6 VSWR of antenna

由圖6可以看出，在f0-f3的頻帶內，VSWR<1.8，在f1-f2頻帶內駐波小于1.5。

各頻點和、差方向圖如圖7和圖8所示。其中f1

圖7 各頻點方位維和、差方向圖Fig.7 Azimuth directional pattern of each frequency point

圖8 各頻點俯仰維和方向圖Fig.8 Elevation directional pattern of each frequency point

天線陣列各頻點的仿真方向圖性能指標如表1所示。

表1 各頻點的仿真方向圖性能
Tab.1 Simulation pattern of each frequency point

頻率/GHz方位波寬/(°)俯仰波寬/(°)增益/dBi差零深/dBf122.275.612.03-26.3fx20.670.212.77-26.6f219.665.313.30-28.3

3.2 實物加工與實際測試結果

實物如圖9所示。實測駐波如圖10所示。

圖9 天線實物圖Fig.9 Antenna physical picture

圖10 和口與差口的駐波Fig.10 VSWR of each port

和口與差口的駐波，在f0-f3的頻帶內，部分頻段的駐波在1.8～2.0之間；在f1-f2頻帶內，部分頻段的駐波在1.5～2.0之間，這是由于相鄰單元之間的間距小，導致隔離較大，對和口差口的駐波產生影響。在后續改進中，會適當增大相鄰單元之間的距離。

實測各頻點和、差方向圖如圖11和圖12所示。

圖11 實測各頻點方位維和、差方向圖Fig.11 Actual test of azimuth directional pattern of each frequency point

圖12 實測各頻點俯仰維和方向圖Fig.12 Actual test of elevation directional pattern of each frequency point

天線陣列各頻點的仿真方向圖性能指標如表2所示。

表2 各頻點的實測方向圖性能
Tab.2 Actual test pattern of each frequency point

頻率/GHz方位波寬/(°)俯仰波寬/(°)增益/dBi差零深/dBf124.857.89.41-22.8fx22.866.410.83-39.3f220.262.510.78-33.3

實測增益比仿真增益分別低了2.62，1.94，2.52 dB，原因有3點：① 和差網絡損耗約0.5 dB；② 線纜損耗約0.5 dB；③ 功分器損耗約1.1 dB。

4 結束語

本文設計了一款寬頻帶低剖面微帶貼片天線，利用L形探針饋電方式，實現寬頻帶特性。仿真與實測結果表明，各項參數均滿足指標要求。該天線形式為二次雷達天線的設計提供新的選擇，當雷達要求對天線的尺寸與重量提出嚴格要求時，該天線提供了新的解決方式。目前，該天線已在某型號雷達上進行應用，該設計方法也可以為其他雷達天線設計提供參考。L形探針耦合饋電貼片天線的裝配難度大，在裝配過程中發現探針相對上層貼片的位置會有偏差，在后續的研究中會改進裝配方法，進一步提升天線的性能。