一种双极化L波段微带阵列天线设计

2015-12-31周云林吕苗

现代导航 2015年4期

周云林，吕苗

（中国电子科技集团公司第二十研究所，西安 710068）

0 引言

微带天线以其低剖面、重量轻，以及馈电方式和极化制式的多样化[1]，成为雷达、探测等天线研究的主要对象。双极化微带天线由于其自身的许多优点，越来越受到人们的重视[2]。

本文介绍了一种双极化L波段微带阵列天线的设计思路和方法，该阵列单元采用H形缝隙耦合的双极化微带天线形式，天线由天线罩、辐射贴片层、H形开缝、馈电网络和金属反射板构成，层间由空气隔开，获得了较高的交叉极化特性。阵列采用两维泰勒阵综合，降低了天线阵列副瓣电平，提高了主波束效率。下面首先介绍单元设计，然后给出阵列设计和实验测试结果。

1 单元天线设计

该天线单元结构图如图1所示，其中(a)为天线俯视图，(b)为天线侧视图。天线由天线罩、两层微带板和金属反射板构成，层间由空气隔开。天线罩为1mm厚的玻璃钢罩子，辐射贴片位于上层微带板上侧，两个H形槽开在下层微带板上侧，且相互垂直；馈电线路位于下层微带板下侧。上层微带板均采用h＝1mm，εr=2.55的介质板，下层微带板均采用h＝1mm，εr=3.0的介质板馈线，采用50欧馈电。单元天线的双极化信号分别由两端口输出。

经HFSS高频仿真软件的优化计算，图1中单元天线各部分尺寸如下：L1=14.5mm，L2=L6=38mm，L3=8.2mm，L4=11.5mm，L5=11.5mm，L7=16.2mm，L8=10mm，w=2.5mm，w1=w3=3mm，w2=w4=5mm。

图1 层叠双频段导航天线结构示意图

单元天线仿真模型端口驻波比的仿真曲线如图2所示，天线谐振于1.4135GHz。两端口的隔离度仿真曲线如图3所示，在使用频率附近两个端口的隔离大于44dB。由于H形缝隙对馈线的耦合能力较强，可利用较小的开槽面积得到较大的耦合能量，因此通过控制H形缝隙尺寸可减小两个缝隙之间的耦合[3]。为了减小H形缝隙尺寸，天线采用的下层微带板介电常数高于上层微带板。图4为单元天线某一个端口激励的方向图仿真结果，交叉极化电平较主极化低50dB以上。

2 阵列设计

2.1 主波束效率

在整个辐射空间内，将天线的2.5倍3dB波束宽度区域定义为天线的主波束区。主波束效率定义为天线在主波束区内的接收功率与天线在整个空域内的接收功率和之比[4]。

图2 单元天线驻波比仿真曲线

图3 单元天线两端口隔离度仿真曲线

图4 单元天线某一端口激励的仿真方向图

式中：ηMbeam为定义的主波束积分区域，等于2.5倍的3dB波束宽度；Ω为天线方向图全部积分区域；P(θ,φ)为天线的功率辐射方向图。

2.2 阵列设计及测试

以上面的单元天线结构，设计了5×5矩形阵列，阵元间距为136.4mm。阵列在两维方向采用泰勒阵综合，以降低天线副瓣，提高阵列天线主波束效率，另外E、H面由于采用相同组阵方式，阵列等化性较好。

加工得到的阵列天线如图5(a）所示，尺寸为700mm×700mm×50mm。由于微带板尺寸较大，为拼版设计，由铜皮搭焊连接；图5(b)为阵列透视图，每列5个单元为串馈形式，双极化信号分别传输至上下两侧，由多个威尔金森功分器综合，分别由两个端口输出：垂直极化信号由上方1端口输出，水平极化信号由下方2端口输出。

图5 阵列实物图

在室内半开放场对阵列天线方向图进行了测试，表1为阵列天线方向图测试结果，典型的主极化/交叉极化方向图如图6～图9所示。

图6 端口方位面方向图

图7 端口俯仰面方向图

图8 端口方位面方向图

从阵列天线的测试结果来看，设计的双极化L波段阵列3dB波束宽度小于21.64°，在波束宽度内交叉极化电平小于29.76dB，副瓣电平大于16.25dB；把测试结果代入式(1)得到，1端口信号的主波束效率为97.86%，2端口信号的主波束效率为95.42%。天线阵列由于加工误差，以及拼版设计的馈电网络带来的误差，方位面副瓣电平较俯仰面有较大抬升，波束宽度展宽，特别是2端口副瓣电平恶化，主波束效率也有所下降。