S频段大频比双频相控阵天线单元研究

荀 杨，闫晓珂，李亚明

(1.中国人民解放军91404部队，河北 秦皇岛 066000；2.中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081)

S频段大频比双频相控阵天线单元研究

荀 杨1，闫晓珂1，李亚明2

(1.中国人民解放军91404部队，河北 秦皇岛 066000；2.中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081)

基于双频段相控阵的需求，设计了一种S频段大频比双频相控阵天线单元，提出了采用微带贴片天线和印刷偶极子天线的新型组合，解决了固定阵元间距的工程背景条件下高低频的共孔径问题，并实现了高低频在实空间内均无栅瓣。加工了所设计天线的工程样机，并对其进行了测试。测试结果表明，该双频天线在2.2～2.4 GHz和3.4～3.9 GHz频段内电压驻波系数小于1.8，低频和高频增益分别大于8 dBi和6 dBi，3 dB波束宽度分别大于60°和80°。

大频比；双频；微带天线；相控阵单元

0 引言

对于通信的整个发展趋势来说[1-2]，双频相控阵是当前相控阵技术发展的一个重要方向[3-4]。其中，大空域扫描天线系统中的双频且宽角覆盖相控阵天线单元是研制的关键技术之一，具有深远而广泛的意义[5-6]。

在固定间距条件下，同时要求高低2个频段在实空间内均无栅瓣出现[7]，这给大频比双频天线单元的设计带来了巨大的挑战[8-10]。考虑到工程应用的需要[11]，要求双频天线同时具有高增益和宽角覆盖特性[12]。基于大频比、高增益和宽角覆盖的S频段相控阵列单元应用[13]，本文提出了一种基于微带贴片天线和印刷偶极子天线新型组合的双频阵列单元天线，该阵元天线既可以保证高低2个频段在实空间内均无栅瓣[14]，又满足了双频段共孔径的设计要求[15]，具有较低的天线互扰[16-17]。所设计天线的低频和高频分别工作于2.2～2.4 GHz和3.4～3.9 GHz，双频比超过1.6。所设计的双频共口面阵列天线既满足系统小型化的要求又可以实现多频段工作[18]，具有很好的应用前景[19-20]。

1 天线结构

本文提出的双频共口径阵元天线结构组成示意图如图1所示。低频天线为微带贴片天线，位于介质基板几何中心，高频天线为线极化天线，由4个端射印刷偶极子天线构成。其中心分别距介质板各边a/4长度。

图1 共口径天线结构

由图1可知，以此双频天线为阵元组成的天线阵列，低频段的布阵间距为a，而高频段亦是等间距，为a/2，且高低2个频段共孔径。相应于高低频天线分别具有固定的布阵间距0.73λL和0.58λH。其中，固定布阵间距a为95 mm，λL和λH分别表示低、高频段中心频点的空气波长。可见，本文选择的结构组成可以使高低频段同时满足相控阵的布阵间距要求。天线具体形式及尺寸如图2所示。

图2 低高频天线结构

在图2(a)、图2(b)和图2 (c)中，低频天线采用2层介质基板，上下两辐射元均采用方形贴片，2层贴片同心叠层放置，通过调整中间的空气层厚度及贴片的相对尺寸可以获得较好的阻抗匹配。在微带圆极化天线设计中，小的介电常数的板材更有利于实现宽带宽角的辐射特性，但是当前板材的介电常数基本都在2以上，为此采用了这样的多层基板技术。顶层和底层材料均采用相对介电常数2.6，厚度均为1 mm的F4B材料。并且将上层引向贴片放在顶层介质板下表面，可以利用顶层介质作为天线罩来保护天线。

对于层叠结构，其介质的等效相对介电常数为：

微带馈线采用标准50 Ω传输线，并采用枝节匹配的方法对天线进一步阻抗匹配。关于上下两辐射元的初始优化尺寸由经验公式确定：

图2(d)是高频印刷偶极子天线示意图。高频天线选择此类天线形式的原因主要有2个：① 底面投影面积小。在固定的阵元间距下，高频天线无法采用与低频天线同种叠层微带天线形式。原因在于仿真发现在设计好的低频天线基础上，没有足够的空间摆放4个叠层的微带天线；② 与低频天线相互影响小。对于高频天线，尝试了不同的天线形式。通过大量的仿真分析，发现如图所示的印刷偶极子天线与低频天线的相互影响小。为了使高低频天线的互相影响最小，最终确定高频天线的印制板与低频天线的辐射边夹角为45°。印刷偶极子与普通偶极子天线类似，当天线长度约为0.5λ时，可以获得良好的阻抗匹配特性与辐射方向图。图2(d)中给出了该天线的结构图，并标明了最佳的设计尺寸。在图2(d)中，微带巴伦在印制板的背面，阵子臂在正面，通过与天线臂间距离约为0.25λ的接地臂实现单向辐射。调节印刷阵子臂的后掠角可以改变天线的场分布，从而改善天线的辐射方向图。通过优化后掠角的大小可以使E面和H面波束宽度更加对称。此外，调节后掠角的大小，还可以改善天线的阻抗特性，实现宽频带匹配。经仿真优化后，本文确定的后掠角大小为60°。高频天线用到的印制板与低频天线相同，相对介电常数2.6，厚度1 mm。通过电磁仿真软件对天线建模仿真，对各个参数进行优化分析，最终确定天线模型满足指标要求的一组参数，低频和高频天线各个参数如表1所示。

表1 天线尺寸参数 (mm)

2 实验结果

按照图2中的双频天线结构，加工制作了工程样机，工程样机照片如图3所示。

图3 工程样机照片

在微波暗室中对加工的共口径双频天线进行测试，天线的电压驻波比实测结果如图4所示。

图4 双频电压驻波比实测结果

从图4中可看出，低频和高频天线在所要求的工作频带内(低频@2.2～ 2.4 GHz和高频@3.4～3.9 GHz)，电压驻波比分别低于1.8和1.6，满足工程要求。

双频天线在2.3 GHz频点和3.7 GHz频点方位面和俯仰面的方向图实测曲线如图5所示，低频天线在中心频点2.3 GHz的3 dB波束宽度为64°，高频天线在中心频点3.65 GHz的3 dB波束宽度为84°。

图5 双频天线方向图实测值

低频圆极化天线在工作频带法向实测轴比值如图6所示。在整个低频通带内，轴比均小于3 dB，最大轴比值1.9 dB。

图6 低频圆极化天线轴比实测结果

高低频天线在工作频带内的法向增益实测值如图7所示。

上文中提到，最终确定高频天线与低频天线辐射边的夹角为45°，即高频天线极化为斜45°方向。而该天线的工程背景是需要高频天线的极化形式为垂直线极化，故只测试了高频天线的垂直线极化分量增益。同样的布阵口径下，高频天线单元个数是低频天线单元的4倍，所以同样的阵列口径下，高频天线的增益不会低于低频天线。至于高频天线的另一水平分量，通过左、右阵元同相位，上、下阵元反相位的方法，可以使其抵消，不会对系统产生干扰。由图7可以看出，单个高频天线单元的垂直线极化增益在工作频带内大于4.1 dBi；低频天线单元的圆极化增益在所需频带内大于7.5 dBi。

图7 天线增益实测曲线

3 结束语

本文提出了一种S频段大频比双频相控阵天线单元，天线高低频工作频带分别为2.2～2.4 GHz和3.4～3.9 GHz，固定布阵间距为0.7λL。在双频比超过1.6的情况下，提出了微带辐射贴片天线和印刷偶极子天线的新型组合，保证了高频天线在实空间内无栅瓣。同时有效改善了高低频段的相互干扰与影响，并通过微带天线叠层技术提高了低频天线的增益。该天线单元可用于通信系统中需求日益渐多的双频相控阵天线设计中，有利于提高通信系统的总体性能。

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StudyonanS-bandDual-frequencyPhasedArrayElementwithHighFrequencyRatio

XUN Yang1,YAN Xiao-ke1,LI Ya-ming2

(1.Unit91404,PLA,QinhuangdaoHeibei066000,China; 2.The54thResearchInstituteofCECT,ShijiazhuangHeibei050081,China)

Based on the requirement of the dual-band phased controlled antennas array,a S-band dual-frequency phased array element with high Frequency ratio is analyzed and designed,and a novel combination of microstrip antenna and printed dipole antenna is proposed.The shared aperture for high frequency and low frequency in the engineering condition of fix element interval is implemented,and no grating lobe exists at low frequency and high frequency.The engineering prototype of the antenna is fabricated and tested.The test results show that this dual-frequency antenna has VSWR of less than 1.8 within the bands of 2.2～2.4 GHz and 3.4～3.9 GHz,and gain of higher than 8 dBi at low frequency and higher than 6 dBi at high frequency,3 dB beamwidth of 60°and 80° at low frequency and high frequency.

large frequency ratio;dual band;microstrip antenna;phased array element

10.3969/j.issn.1003-3106.2017.12.11

荀杨，闫晓珂，李亚明.S频段大频比双频相控阵天线单元研究[J].无线电工程,2017,47(12):49-52.[XUN Yang,YAN Xiaoke,LI Yaming.Study on an S-band Dual-frequency Phased Array Element with High Frequency Ratio[J].Radio Engineering,2017,47(12):49-52.]

TN822

A

1003-3106(2017)12-0049-04

2017-06-23

国家高技术研究发展计划(“863”计划)基金资助项目(2013AA122101)。

荀杨男，(1987—)，硕士，助理工程师。主要研究方向：舰艇作战应用研究。

闫晓珂女，(1969—)，博士，高级工程师。主要研究方向：雷达与光电探测。