一种Ku波段混合馈电频扫天线阵设计

宋小弟　汪伟　金谋平　吴瑞荣

(中国电子科技集团公司第38研究所,合肥 230088)



一种Ku波段混合馈电频扫天线阵设计

宋小弟汪伟金谋平吴瑞荣

(中国电子科技集团公司第38研究所,合肥 230088)

摘要研制了一种俯仰向波束固定，方位向频扫的Ku波段频扫平面天线阵．采用双层微带结构获得带宽约18%的宽带微带贴片天线作为阵列单元．天线阵俯仰向采用微带功分器及该种天线单元组成线阵．方位向为实现波束较大范围的频扫能力,并提高天线阵的工作效率采用波导慢波线缝隙与线阵微带线电磁耦合结构进行馈电．在采用HFSS软件完成仿真设计的基础上，加工并测试了一套12×40规模的天线阵，结果表明该天线阵在工作频段内驻波比优于1.5，波束扫描范围大于80,副瓣电平优于-20 dB，除中心频点外，增益大于26.5 dB．

关键词微带天线阵列;频率扫描;电磁耦合

引言

目前,各种雷达与无线通讯应用需要越来越多的频谱资源,而较低的波段已利用殆尽,因此工作频率在Ku及以上波段的雷达与通讯设备逐渐崭露头角．相对于低频段,Ku及以上波段的雷达具有定位精度高、带宽大、天线重量轻、尺寸小等优点,在航空航天、气象探测、机场场面监视等领域有广泛应用[1-2]．

近年来,随着微波固态元件和单片微波集成电路Monolithic Microwave Integrated Circuit, MMIC)技术的快速发展,电扫天线系统的生产成本有所降低,但在X波段及以上的微波高频段,数字移相器、T/R组件等核心部件依然价格相当高．特别在单元数较多的情况下,整体系统比较复杂,且制造成本昂贵,是一般用户所不能接受的．

频扫天线作为电扫天线的一种,具有波束指向和波束形状变化快速、易于形成多个波束、结构简单、成本低等优点,早在20世纪60年代就已装备部队,并得到广泛应用[3-4]．但由于频扫天线的馈电一般采用慢波线串馈结构,存在着体积和重量较大、带宽有限、效率不高等不足,制约了它的应用范围．针对频扫天线的这些不足,国、内外设计人员采用了多种方法进行改进设计[5-10]．本文在上述研究基础上设计了一种波导慢波线电磁耦合缝隙馈电的Ku波段宽带频扫微带天线阵,该天线阵具有尺寸紧凑,工作带宽宽(波束扫描范围大)等优点,HFSS仿真和实物测试结果证明了设计的有效性．

1宽带天线单元与高效慢波线设计

1.1Ku波段宽带微带贴片天线单元设计

微带天线具有重量轻、低成本易制作、低剖面易共形、极化灵活、易集成等优点,近年来被广泛应用于个人通信、高速无线局域网、雷达和人造卫星等领域．

常规微带天线在工程应用中最大的不足是带宽窄,因此研究人员提出了多展宽带宽的途径,如在贴片上开缝开槽、采用多层结构、采用宽带匹配、采用电磁耦合馈电等[11-13]．为满足轻型、宽角扫描、低剖面、低成本等要求,本文设计了一种高效的非辐射边馈电的Ku波段双层宽带微带贴片单元．设计的天线单元结构示意图如图1所示．

天线单元采用了双层微带天线形式,所用微带板材是Rogers公司的RT5880,厚度0.508 mm．为展宽工作频带并对上层微带天线进行支撑,在上下层微带板之间增加了泡沫层,型号为ROHACELL51．

(a) 天线单元俯视图

(b) 天线单元侧视图图1　印刷单极子天线结构示意图

经过仿真优化后所得的宽带微带天线单元的回波损耗和低、中、高三个频点的方向图结果如图2所示．该天线单元S11<-10 dB的相对带宽大于18%,整个频带内3 dB波束宽度大于90°．

1.2高效慢波线馈电网络设计

频扫天线中,慢波线的作用是使波瓣的指向角成为频率的函数,其表达式为

(1)

(a) 天线单元S11参数仿真结果

(b) fL的方向图仿真结果

(c) f0的方向图仿真结果

(d) fH的方向图仿真结果图2　天线单元S11参数与方向图仿真优化结果

式中： θ为扫描角; L为单元间馈线长度; dx为扫描面单元间距; λ为工作频率对应的自由空间中的波长; λg为工作频率对应的导波长; m为单元间馈线长度对应的侧射频率导波长数．

对长度为L的传输线,传输两个频率信号时的相位差为

(2)

由式(2)可知,若想实现大角度扫描,可通过增加天线工作带宽即增大(1/λg1-1/λg2)值或增加两单元间的传输线长度L．但大带宽的天线单元和馈电网络的设计均较为困难,甚至难以实现．因此频率扫描天线大角度扫描通常同时综合增加带宽和单元间的传输线长度两种办法来实现．

本文在上述宽带微带天线单元设计的基础上,根据设计要求,参考公式[4]

(3)

(a) 波导慢波线结构示意图

(b) 同轴波导变换结构示意图图3　波导慢波线和同轴波导变换结构示意图

图4　波导慢波线驻波仿真结果

确定L,仿真并优化设计了一种紧凑高效的蛇形慢波线,并在输入、输出端设计了易于加工的宽带同轴波导变换．波导慢波线和宽带同轴波导变换的结构示意图和仿真结果如图3、4所示．

从图4的仿真结果可以看出,在中心频率附近,驻波有较高点,其原因是在此频率点,慢波线的长度为导波波长的整数倍,反射叠加最强．

2频扫天线阵的设计、制作与测试

完成Ku波段宽带微带天线单元和紧凑高效的波导慢波线仿真优化设计后,根据工程需要,设计了由40列垂直方向均匀加权的微带线阵构成的平面微带天线阵和实现方位面幅度加权的波导慢波线与微带线阵之间的电磁耦合馈电缝隙,结构示意图如图5、6所示．电磁耦合馈电缝隙的设计采用-25 dB Taylor幅度加权,根据理论与仿真计算,缝隙耦合度分布曲线如图7所示．

图5　平面微带线阵结构示意图

根据理论设计和仿真优化的结果,加工并制作了一套Ku波段混合馈电的宽带高效频扫天线阵,对其进行了驻波和方向图性能测试,实物与测试结果见图8、图9、图10和图11．

图6　电磁耦合缝隙结构示意图

图7　电磁耦合缝隙耦合度分布曲线

(a) 天线阵实物图正面

(b) 天线阵实物图背面图8　天线实物图

从图9、图10和图11的测试结果可以看出,设计加工的Ku波段混合馈电频扫天线阵,除中心频点外:端口驻波均小于1.5,方位面副瓣低于-20 dB,增益大于26.5 dB,效率大于35%,频扫描范围-40°～+40°．

图9　天线阵驻波测试

图10　天线阵方向图测试结果

图11　天线阵增益测试结果

图9中,中心频率的测试驻波与仿真结果相比偏大,经分析原因有两点:一是加工制造偏差,二是设计时对制作天线的材料在Ku波段的特性认识不充分．该问题已在后继设计中予以改进,等待实测验证．

3结论

为实现方位向大角度扫描并提高天馈系统的工作效率,综合考虑宽带微带天线单元和波导慢波线的设计,并采用电磁耦合馈电方式将两者结合起来,研制了一种Ku波段宽带高效频扫平面天线阵．在采用HFSS软件完成仿真设计的基础上,加工并测试了一套12×40规模的天线阵,测试结果表明该天线阵在工作频段内除中心频点外,驻波比优于1.5,波束扫描范围大于80°,副瓣电平优于-20 dB,增益大于26.5 dB,证明了本设计的有效性．该天线阵已用于实际工程项目中,并在低成本电扫雷达中有良好的应用前景．

参考文献

[1]王浩, 史小卫, 刘淑芳, 等.一种宽频高增益的Ku波段微带天线设计[J].微波学报, 2012, 28(5): 44-47.

WANG H, SHI X W, LIU S F, et al.Design of a broadband and high gain microstrip antenna at Ku band[J].Journal of microwaves, 2012, 28(5): 44-47.(in Chinese)

[2] 位寅生, 许荣庆, 张宁.星载Ku波段雷达方案设计与性能分析[J].现代雷达, 2005, 27(9): 24-27.

WEI Y S, XU R Q, ZHANG N.Scheme design and performance analysis of a spaceborne Ku-band radar system[J].Modern radar, 2005, 27(9): 24-27.(in Chinese)

[3] HANSEN R C. Microwave scanning antennas[M]. Peninsula Publishing,1985.

[4] 郭燕昌, 钱继曾, 黄富雄,等. 相控阵和频率扫描天线原理[M]. 北京: 国防工业出版社, 1978.

[5] 葛悦禾. 频扫低副瓣波导窄边缝隙平面阵列天线的研究[J]. 雷达与对抗, 1997(2): 39-42.

GE Y H. Study on frequency-scanning untitled edge slotted waveguide planar antenna array with low sidelobe[J].Radar and ECM,1997(2): 39-42.(in Chinese)

[6] 黄彩华. 频扫天线慢波线的幅相误差对天线方向图影响的分析[J]. 雷达与对抗, 2000(7):27-32.

HUANG C H. The effect of amplitude-phase errors of the frequency-scanning antenna S-shaped line on the antenna pattern[J]. Radar & EMC, 2000(7):27-32. (in Chinese)

[7] 李斌, 赵交成, 李绪平. 频扫单脉冲天线技术研究[J]. 火控雷达技术, 2011 (1): 83-90.

LI B, ZHAO J C, LI X P. Research on frequency scan monopulse antenna technology[J]. Fire control radar technology, 2011(1): 83-90.(in Chinese)

[8] XU J F, HONG W, TANG H J. Half-mode substrate integrated waveguide(HMSIW) leaky-wave antenna for millimeter-wave applications [J]. IEEE antennas and wireless propagation letters, 2008, 7: 85-88.

[9] HAMIDI E. Design, analysis and simulation of a C band frequency scanning slot-array antenna [C]//International Conference on Computer and Communication Engineering, Kuala Lumpur, May 11-12,2010. IEEE,2010: 1-5.DOI: 10.1109/ICCCE.2010.5556765.

[11]吴薇薇, 尹家贤, 袁乃昌. X波段微带天线阵的新型高效馈电方式研究[J]. 电波科学学报, 2007, 22(5): 785-789.

WU W W, YIN J X, YUAN N C. Study of a novel and high efficient feed method for X-band microstrip patch arrays[J]. Chinese journal of radio science, 2007, 22(5): 785-789. (in Chinese)

[12]陈振宁, 梁仙灵, 叶声, 等. 一种新型Ku频段宽带高增益双极化微带天线阵列[J].电波科学学报,2011, 26(4): 661-665.

CHEN Z N, LIANG X L, YE S, et al. A novel dual-polarization microstrip antenna array with wideband and high gain in Ku band [J].Chinese journal of radio science, 2011, 26(4): 661-665. (in Chinese)

[13]卢晓鹏, 张玉梅, 李昂. 非辐射边馈电的宽带双层微带贴片天线[J].雷达科学与技术, 2011, 9(5): 479-483.

LU X P, ZHANG Y M, LI A. A wideband double-layer rectangular microstrip antenna fed by microstrip line along non-radiating edge[J].Radar science and technology, 2011, 9(5): 479-483. (in Chinese)

Design of a Ku-band frequency-scanning antenna array fed by hybrid structure

SONG XiaodiWANG WeiJIN MoupingWU Ruirong

(38thResearchInstituteofChinaElectronicTechnologyCorporation,Hefei230088,China)

AbstractA Ku-band antenna array with fixed beam in elevation and frequency-scanning beam in azimuth was designed and implemented. By introduced double-layer microstrip patch configuration, element of the column linear array with 18% bandwidth was designed. In order to realize the beam scanning with frequency changed in azimuth and improve the array efficiency, the waveguide slow-wave line structure with electromagnetic coupled slot on narrow side was used as feed line. Based on the successful simulation results achieved by HFSS software, antenna array with 12×40 elements was implemented and tested. The results show that, except at the center frequency, the voltage standing wave ratio(VSWR) of the antenna array is below 1.5 at the operation band, the scan scope is up to 80 degree, the sidelobe is below -20 dB, and the gain is more than 26.5 dB.

Keywordsmicrostrip antenna array; frequency-scanning; electromagnetic coupled

收稿日期：2015-04-24

中图分类号TN821.8

文献标志码A

文章编号1005-0388(2016)02-0340-06

DOI10.13443/j.cjors.2015042401

作者简介

宋小弟(1974-),男,安徽人,2009年获西安交通大学电磁场与微波技术专业工学博士学位,现为中国电子科技集团公司第38研究所高级工程师,主要从事相控阵天线及微波系统设计．

汪伟(1969-),男,安徽人,2005年获上海大学电磁场与微波技术专业工学博士学位,现为中国电子科技集团公司第38研究所研究员,已发表论文80余篇,申请专利十余项,获省部级科技奖两项．主要从事天线与微波系统研究．

金谋平(1968-),男,安徽人,2000年获西安电子科技大学电磁场与微波技术专业工学博士学位,现为中国电子科技集团公司第38研究所研究员,主要研究领域为天线与微波工程系统设计．

吴瑞荣(1978-),女,安徽人,硕士,现为中国电子科技集团公司第38研究所高级工程师,主要从事微波通信系统设计．

宋小弟, 汪伟, 金谋平, 等. 一种Ku波段混合馈电频扫天线阵设计[J]. 电波科学学报,2016,31(2):340-345. DOI:10.13443/j.cjors. 2015042401

SONG X D, WANG W, JIN M P, et al. Design of a Ku-band frequency-scanning antenna array fed by hybrid structure [J]. Chinese journal of radio science,2016,31(2):340-345. (in Chinese). DOI: 10.13443/j.cjors.2015042401

联系人： 宋小弟 E-mail: songxd942@sina.com