平面相控阵天线的单元设计与分析

汪 涛,刘士兴,黄正峰,李 祥

(合肥工业大学 电子科学与应用物理学院,安徽 合肥 230009)

平面相控阵天线的单元设计与分析

汪 涛,刘士兴,黄正峰,李 祥

(合肥工业大学 电子科学与应用物理学院,安徽 合肥 230009)

基于工作频率在1.79 GHz的矩形微带天线,利用FDTD进行建模和仿真,设计出几种平面阵列天线。针对三角阵和矩形阵,分别计算了它们的远场辐射方向图,讨论了阵列天线单元分布的影响，对比分析了微带阵列天线的主要性能参数,计算了前后比和波瓣宽度,并得出了结论。仿真实验结果表明,和三角阵相比,使用4元矩形阵能提供较高的增益和较低的栅瓣电平。

相控阵天线;平面阵列天线;远场辐射方向图;互耦

相控阵天线具有高增益、高功率、低旁瓣、波束扫描及波束控制等特性,因此在现代雷达、飞行器、卫星、射电天文学、通信、遥测、遥控等领域获得了广泛应用[1-2]。相控阵天线由许多固定的天线单元组成,这些单元相干馈电,并在每个单元上用可变相位或时延控制使波束扫描到空间给定的角度上[3]。因此,研究相控阵天线单元的辐射特性对相控阵天线的分析与综合具有重要意义。机载平面相控阵天线是目前的飞行器及下一代飞行器中的重要设备,其作用相当于飞行器的“眼睛”,其作用距离和扫描角度类似于人眼的“视距”和“分辨力”。平面相控阵天线由于要求和飞行器表面共形,往往采用微带天线或波导缝隙天线结构,由于微带天线具有体积小、重量轻、易与有源电路集成、容易同安装表面共形等优点[4],本文将采用由矩形微带天线组建平面阵列天线。

根据电磁波的干涉与叠加原理,以及方向图乘积定理,阵列天线的辐射特性取决于阵元结构、阵元排列、阵元的激励和馈电方式等[5]。由于天线的方向图函数是天线口径分布的傅里叶变换,如果天线的方向图是2个简单方向图的乘积,则该天线的口径分布就是产生2个简单方向图的口径分布的卷积。因此,一个矩形平面阵可以视为一个沿x轴排列的线阵和一个沿着y轴排列的线阵的卷积[6]。同理,如果以三角阵或矩形阵作为相控阵天线的单元,那么单元的辐射特性将制约着大型相控阵天线的性能。事实上,很多相控阵天线都是以小的阵列天线单元为基础的[7]。矩形栅格排列是面阵最常用的一种排列方式,而在大型相控阵中为了节省单元和单元馈电系统,常采用三角形栅格阵列。为探讨和比较三角阵与矩形阵的优劣,本文利用时域有限差分法(finite difference time domain,FDTD)对比分析了这两种阵列单元的辐射特性。基于工作频率为1.79 GHz的矩形微带天线,设计了2元平面阵以及3元三角阵和4元矩形阵,利用FDTD分别计算了它们的远场辐射方向图,进一步讨论了阵元间互耦的影响。

1 阵列天线单元的设计与仿真

阵列天线中,单元的性能直接影响整个阵列方向图的性能,单元的性能好,则经过馈电网络产生的阵列耦合后主瓣尖锐而副瓣较低,同样的功率下天线的辐射距离较远。本文的单元为矩形微带天线,结构如图1所示,图中所示的天线参数:宽W=26.59 mm,长L=19.62 mm,介质基板厚度h=1.33 mm,介质基板介电常数εr=9.6[8-10],特性阻抗Z0=50 Ω的微带馈线宽度为1.54 mm。用FDTD对该微带天线进行分析计算,得到的仿真结果如图2和图3所示。图2为该天线的回波损耗曲线,图3为该天线的E面远场辐射方向图。该天线的工作频率在1.79 GHz,在1～5 GHz范围内,-10 dB带宽为15 MHz,输入阻抗为50 Ω，主瓣宽度约为180°左右。

图1 矩形微带天线的结构示意图

图2 矩形微带天线的回波损耗曲线

图3 矩形微带天线的E面远场辐射方向图

2 平面阵列天线的设计方法与仿真结果

采用上述矩形微带天线单元组成的二元平面阵列天线,阵元沿y轴均匀排列,y轴方向相邻阵元间的距离为d0=40 mm,其阵元在x-y平面的排列如图4(b)所示,阵元的激励采用等幅同向电流激励,由50 Ω的匹配微带馈线对各个单元进行自由激励[11-12],天线单元的馈线之间的互耦可忽略不计。使用FDTD仿真计算得到的三维远场辐射方向图、二维远场辐射方向图分别如图5(b)、图6和图7所示。

采用上述矩形微带天线单元组成的3元平面三角阵阵列天线,阵元沿x轴和y轴均匀排列,y轴方向相邻阵元间的距离为d0=40 mm,x轴方向相邻阵元间的距离为d1=20 mm,其阵元在x-y平面的排列如图4(c)所示,阵元的激励采用等幅同向电流激励,由50 Ω的匹配微带馈线对各个单元进行自由激励。使用FDTD仿真计算得到的三维远场辐射方向图和二维远场辐射方向图分别如图5(c)、图6和图7所示。

采用上述矩形微带天线单元组成的4元平面矩形阵阵列天线,阵元沿x轴和y轴均匀排列,y轴方向相邻阵元间的距离为d0=40 mm,x轴方向相邻阵元间的距离为d1=20 mm,其阵元在x-y平面的排列如图4(d)所示,阵元的激励采用等幅同向电流激励,由50 Ω的匹配微带馈线对各个单元进行自由激励。使用FDTD仿真计算得到的三维远场辐射方向图和二维远场辐射方向图分别如图5(d)、图6和图7所示。

由于各个天线单元采用单独馈电,且对各个单元加入完全相同的激励信号,此时各个天线单元将产生完全相同的辐射场。对比图4、图5、图6和图7可见,该仿真实验中阵列天线辐射特性的变化取决于阵元排列和阵元数目的增加。从图6可见,4元矩形阵的E面远场辐射强度和H面远场辐射强度均比3元三角阵要大,而且矩形阵的波瓣宽度要比三角阵更窄。矩形阵的前后比为6.7,三角阵的前后比为2.6;矩形阵的波瓣宽度为212°,三角阵的波瓣宽度为268°。同时,3元阵和2元阵的辐射特性相似,均远大于矩形微带天线的辐射强度。依据平面阵列的卷积处理方法,对比图5和图6可见,阵元在y轴方向耦合的影响要强于阵元在x轴方向耦合的影响。从图7中可见,三角阵和矩形阵的E面远场方向图主瓣偏离了0°方向,分别为343°和352°。通过对比分析阵列天线的远场辐射方向图和增益可知,依据方向图乘积定理和平面阵列的卷积处理方法,在相同阵元等幅同相的阵列天线波束控制中,采用不同阵元数和不同空间排布的阵列天线,是天线设计与综合的一种有效方法。

图4 平面阵列天线的空间排列和FDTD建模图

图5 平面阵列天线的3维远场辐射方向图

图6 平面阵列天线在1.79 GHz的E面(V/m)和H面(A/m)远场辐射方向图

图7 极坐标中平面阵列天线在1.79 GHz的E面远场辐射方向图

3 结论

通过对三角阵和矩形阵相控阵天线单元的设计,利用FDTD仿真和计算,可以得出各阵列天线的三维和二维远场辐射方向图,结论如下:

(1) 矩形阵的增益和方向性比三角阵要好,其原因可以从方向图乘积定理和平面阵列的卷积处理方法得到。

(2) 采用三角阵,其阵元数目与矩形阵相比将大大减少;

(3) 三角阵辐射特性将远比微带天线单元的辐射要强,约在20～30倍左右。相比直接以矩形微带天线作为相控阵天线单元,采用三角阵或矩形阵作为平面相控阵天线的单元,将获得更强的大型阵列辐射特性。分析表明,使用三角阵列天线和矩形阵列天线作为相控阵天线的单元,其性能要优于直接使用矩形微带天线作为相控阵天线的单元。同时,由于阵列天线的主瓣宽度较大,副瓣宽度较小,因此,使用四元矩形平面阵列天线构造机载平面相控阵天线,可获得较大的作用距离和宽旷的扫描角度;而且副瓣宽度较小则提高了飞机抗侦查能力。

进一步的研究中,将基于4元平面阵,构建4×4相控平面阵天线,并使用微波网络分析法和HFSS软件精确设计其馈电网络和辐射性能。

References)

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Design and analysis of units for planar phased antenna arrays

Wang Tao,Liu Shixing,Huang Zhengfeng,Li Xiang

(School of Electronic Science and Applied Physics,Hefei University of Technology,Hefei 230009,China)

Based on a 1.79 GHz microstrip rectangle antenna,by using FDTD to model and simulate,the planar antenna arrays are designed. Focused on the triangular array and the rectangular array,the far field radiation patterns of these arrays are calculated and the influence of the distribution of antennas is discussed. The main performance parameters of microstrip antenna arrays are compared and discussed. The front-to-rear ratio and the main lobe width of the antenna arrays are calculated. The simulation results show that the rectangular array with four elements has higher antenna gain and lower grating lobes,compared with the triangular array.

phased array antenna;planar array antenna ;far radiation pattern;coupling

2014- 05- 27 修改日期：2014- 07- 25

国家自然科学基金项目“容忍软错误的SoC芯片可靠性设计关键技术研究”(61106038)；安徽高校省级自然科学研究重点项目(KJ2012Z316)；合肥工业大学校内专项项目“用于无线局域网的天线阵设计与FDTD分析”(2012HGXJ0063)

汪涛(1981—),男,河南商城,在读博士研究生，讲师，研究方向为天线与射频集成电路。

刘士兴(1970—),男,安徽合肥,博士,副教授，研究方向为无线与射频集成电路.

TN821.8

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1002-4956(2015)1- 0075- 04