一种宽带低剖面相控阵单元天线

朱金鹏 刘小国 邓维波 朱文军

(1.哈尔滨工业大学，黑龙江 哈尔滨 150001；2. 中国电波传播研究所，山东 青岛 266107)

引 言

低剖面定向宽带天线是无线通信技术、机载天线技术中一个热点研究方向，其难点是单元带宽设计(如阻抗、增益和波束等要求)，尤其是在组阵过程中.近年来，国内外针对天线宽带技术展开了深入研究，取得一定的研究成果，文献[1-6]在常规天线附近增加谐振频率不同的寄生单元以展宽天线带宽，但该方法带来了天线尺寸较大和频带内方向图不稳定等缺点[7-8]；文献[9-13]在天线端口增加宽频带的匹配技术拓展带宽，但研究表明该方法改善带宽能力是有限的.

从已发表的文献看，多数是研究如何提高单元天线带宽或使得单元天线满足接收阵列要求，很少有从发射角度考虑定向天线宽带特性，且其中天线形式也比较单一.本文从发射角度出发，提出一种立体结构和平面结构相结合的复合电小天线，运用阵列环境展宽单元天线带宽，计算表明，该天线单元可以满足低剖面、宽带功率相控阵组阵要求.思想和方法为拓展定向天线带宽设计提供一种技术路线，从而为超宽带系统应用提供了有力支持.

1 宽带锥形复合定向天线研究

1.1 基本理论

在O_xyz坐标系中，设位于z=0无限大导电平面上的M×N个阵元以矩形栅格排列，x、y方向的阵元间距为dx，dy,其中第(0,0)号阵元位于坐标原点.第(m,n)号阵元位置矢量和激励复电流为：ρmn=mdxi+ndyj，Imn=Imnexp(-jΨmn)πmn.若不计单元互耦，阵列的远场场强为

exp(jkρmn·r)emn,

式中：πmn为第(m,n)线极化单位矢量；fmn(θ,ϑ)为远场方向图函数；emn为远场辐射极化单位矢量；r为观察方向单位矢量.根据以上表达式，为避免栅瓣出现，其单元最大理论间距为dx，dy≤λ/(1+sinθm),其中θm为最大扫描角，如天线工作频率带宽为3个倍频程、θm=30°时，计算得到单元间距最大值为0.22λmax.综上所知，天线阵列设计中单元间距与扫描角和频带宽度相互矛盾，因此对于宽带相控阵中单元天线，其单元长度相对低频属电小天线范畴.

文献[16-17]根据电小天线ka≪1的特点，分析了定向天线的最大增益与Q值比，通过推导可得到以下简式

(1)

由式(1)看出定向电小天线Q值极限值只与频率和线径a有关，其最大增益为3； 而Rhodes定义天线的Q值可以表示为如下形式[18]，

(2)

由式(2)可看出，天线的品质因素可以用天线的输入阻抗 (R0(ϖ0)+jX0(ϖ0))特性来近似表达，单元天线增益由端口效率η和方向系数D确定，需要说明的是式(1)、(2)在文献[16-18]中只考虑电小天线本身.依据式(2)对阵中单元进行研究，增加天线线径、运用单元的阵列环境提高天线的输入电阻或降低电抗值，达到降低单元天线Q值的目的，从而提高电小天线的增益和阻抗带宽，为改善天馈系统功率匹配，在单元端口增加了LC网络.

1.2 低剖面宽带锥形定向复合天线单元研究

根据以上理论，为满足线极化平面相控阵的3倍频、扫描30°要求，其单元间距d应小于0.22λmax，由此得到相控阵单元横向全尺寸L应小于)0.22λmax.依据球形空间电小天线理论和倒V对称振子天线基本特性，本文提出一种锥形复合定向新颖偶极天线(见图1)，其阵面距离反射面高度为0.135λmax.

图1 锥形复合定向天线示意图

从图1看出，天线采用分层设计，上层低频天线体采用四边形锥形结构、下层高频天线体采用平面结构；当天线工作在高频时，低频天线体作为高频天线寄生单元，通过高、低层天线间距选择可以改善高频天线阻抗和增益带宽.

运用矩量法对天线进行数值计算[19-20]，得到天线上的电流分布，进而求得其它电参数.图2(b)是通过数值计算得到高频天线驻波比，在1.9fmin～3.1Ωfmin区间内驻波比小于2(参考阻抗为100 Ω)；

(a) 低频天线驻波比

(b) 高频天线驻波比图2

对于低频天线，采用立体锥形结构后，其对称振子谐振频率向低频偏移(为0.32λ)，但由于该天线在低频段属于电小天线，其辐射电阻较小，因此其驻波比随频率降低而急剧恶化，从而达不到与系统之间宽带匹配要求，见图2(a)，图中参考阻抗为50 Ω.

由于天线采用分层设计，其低频天线面、高频天线面分别到地网距离电高度基本不变，因此其天线方向系数随频率变化较小(见图3)，另从图中看出该天线在3倍频程内方向系数大小为6～8 dBi.图4是该天线E面方向图，从图中看出，在工作频带内波束宽度大于60°，满足30°扫描要求.

图3 锥形复合定向天线方向系数

图4 锥形复合定向天线E面方向图

通过以上分析计算，除低频天线驻波比外(低频天线阻抗匹配主要依靠阵列环境和匹配网络)，该天线单元具有频带宽、电尺寸小、剖面低等优点.文献[6]设计了一种宽频带双层伞形天线单元，其单元阻抗相对带宽为1.48倍频(驻波比小于等于2)，而设计的高频天线阻抗相对带宽为1.63倍频.

2 3×3平面阵计算

为更好地验证天线单元可用于平面阵的组阵单元，计算此天线单元在3×3矩形平面阵(见图5)中的电特性及阵列特性，在该阵存在4种不同状态(#1,#2,…,#4).根据工作频率划分，此3×3矩形平面阵包括3×3低频阵和3×3高频阵.

由于低频天线间距较小其单元间耦合严重，图6给出了单元#1和#2之间的散射系数测试值，其端口参考阻抗为50 Ω.

图5 3×3矩形平面阵示意图

图6 3×3低频天线阵单元#1、#2端口之间散射系数随频率变化曲线

图7给出了低频天线#4输入阻抗R(#4open)+jX(#4open)(其他单元端口开路)和3×3矩形阵阵中单元#4有源阻抗R(#4TT)+jx(#4TT)随频率变化曲线，从图中看出，由该单元组阵后，其阻抗得到明显改善，从而提高了电小天线的阻抗带宽和效率.

图7 单元#4在两种状态下阻抗随频率变化曲线

由于高频天线阵单元间距较大，其单元间耦合对天线端口影响较小，图8给出了3×3矩形阵中单元#4高频天线阻抗随频率变化曲线，从图中可知其阻抗比较平稳.

图9是3×3低频天线阵4种阵中单元在加入匹配网络后的等幅同相激励条件下的驻波比，其驻波比小于2.5.

图8 3×3高频天线阵阵中单元#4输入阻抗随频率变化曲线

图9 3×3低频天线阵阵中单元驻波比随频率变化曲线

以上计算表明， 3×3天线阵在低频和高频内单元天线的驻波比满足3倍频程要求.对于阵列扫描阻抗失配，依据Knittel[21]提出的匹配技术：减小单元间距可使阻抗随扫描角的变化显著减小，单元间距为0.22λmax(远小于0.5λmax)，因此有效改善了相控阵天线设计中宽带宽角扫描问题.

3 结 论

基于目前一些应用系统对水平极化定向相控阵天线单元提出的高要求，在对传统宽带天线单元优缺点分析的基础上，综合已有宽带天线单元设计方法，提出了一种立体和平面结构、寄生单元和激励单元相结合、网络和阵列环境相结合的锥形复合定向小型化新颖高增益偶极天线.通过对由此天线单元组成的3×3矩形平面阵的分析和计算，结果表明，此天线单元满足平面阵列的组阵要求，从而为宽带宽角扫描的有源相控阵天线系统提供了一种新型的天线单元形式，且可为其他宽带天线系统的设计提供技术参考.与常规的宽带相控阵天线单元相比，提出的相控阵单元有如下突出特点：

1) 天线单元采用立体和平面结构、寄生单元和激励单元相结合展宽天线带宽；

2) 运用阵列环境提高电小天线增益，在单元端口增加匹配网络使宽频带内阵中单元驻波比满足小于2.5的要求，从而可实现功率的高效辐射；

3) 天线单元剖面低、电尺寸小，低频振子距离反射面高度约0.135λmax，长度仅约0.22λmax；

4) 天线单元阻抗、方向图带宽可达3倍频程，波束宽度满足30°扫描要求，其增益在带宽内稳定(6～8 dBi).

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