天馈线伺服系统Ka波段高效微带阵列天线

司 军 高 星

(中国船舶重工集团有限公司第七二三研究所 江苏扬州 225001)

0 引言

微带天线因为其重量轻、剖面薄、造价低、易于共形以及很方便与有源电路集成的优点，越来越受到广大天线工作者的青睐[1]。随着对微带天线广泛深入的研究，微带天线已在天线的宽频带、多频工作、小型化、提高增益等方面取得了众多的成果。传统的微带天线有带宽窄的缺点，但经过多年天线研究者的努力，这一缺陷已得到有效改善，对于单贴片最大实现超过50%的带宽[2]。

在天线阵列环境中，由于各阵元间存在能量上的相互耦合，对天线阵的性能产生了多方面的消极影响。在耦合馈电的微带天线阵列中，影响天线效率的互耦主要来源于两部分：一部分是某天线阵元的馈电终端耦合到其余阵元的馈电口的内部互耦；另一部分就是表面波。一方面对耦合馈电的馈电终端来讲，能量不能全部通过耦合结构耦合至天线单元，有一部分能量通过馈电层的介质耦合至其余单元的馈电口，使各天线单元幅相误差严重偏离设计值；另一方面虽然可以通过合理选择介质厚度和介电常数抑制表面波，但由于表面波的最低次TM模的截止频率没有下限，仍然有一部分能量沿着介质表面传播，从而使单个天线单元辐射效率降低。内部互耦和表面波都会引起微带天线效率降低，造成天线增益下降。

针对Ka波段微带天线效率不高的问题，本文提出了一种将馈电层各个馈电终端隔离以及辐射贴片的介质沿E面断开的方法，使得阵列天线的互耦得到很好的抑制，Ka波段微带阵列天线的效率进一步提高。

1 天线单元设计

直接馈电微带天线的工作带宽相对较窄，在某些工作环境下，需要进一步展宽带宽，则需要在结构上进行改变，文献[3]提到了一些改进的方法，本项目采用耦合馈电的方式来实现带宽的展宽。

文献[6]表明微带天线介质厚度主要依据最低次TE型表面波的截止频率进行选择，根据TE型表面波的截止频率与介电常数和介质厚度关系为

(1)

选择该天线的介质厚度为0.254mm，介电常数为2.3，可计算得到，最低次的表面波在25.9GHz频率上才能被激励起来。

天线单元为六层结构，从上至下分别为：辐射贴片、辐射层介质、接地层、馈电层介质、信号层、馈电层介质、接地层，每层介质厚度为0.254mm，考虑微带多层加工粘接膜的厚度以及每层金属厚度，天线单元总厚度为0.787mm。依据天线单元所占面积建立单元周期边界仿真模型，验证阵列环境中的天线性能，如图1所示。

图1 阵列中单元驻波

2 阵列设计

以设计完成的天线单元构建1个4×4微带阵列，单元间距为8.1mm×8.1mm。微带阵列采用同轴馈电，通过馈电网络实现对阵列的各个天线单元进行等幅同相激励，图2(a)和图2(b)为未采取互耦抑制措施4×4微带阵列的仿真模型及仿真方向图，表1为天线仿真方向性系数。

图2 常规4×4微带阵列仿真模型及方向图

表1 4×4阵列仿真方向性系数

从仿真结果可以看出天线口径效率极低、频带内起伏很大，严重偏离设计预期。项目组通过电磁场仿真软件分析了馈电介质和辐射层介质中的电场分布，如图3所示，从图中可以明显看到馈电层互耦很严重，在介质和空气分界面上有表面波传播，这两种互耦严重影响了天线的口径效率。

图3 馈电介质和辐射层介质中的电场分布

针对出现的问题，提出了将馈电层各个馈电终端隔离以及辐射贴片的介质沿E面断开的互耦抑制措施。建立了一个改进后的4×4微带阵列仿真模型如图4(a)所示，图4(b)为改进后的天线方向图。改进后的电场分布如图5所示。

图4 改进后的4×4微带阵列仿真数据

图5 改进后馈电介质和辐射层介质中的电场分布

从图3和图5对比可以看出，采用馈电层终端隔离措施后，各单元之间内部耦合显著减小，单元激励更加均匀；采用辐射贴片的介质沿E面断开的措施后，天线单元之间的表面波耦合也得到了一定程度的降低。

表2为改进后天线阵列的仿真方向性系数。从表2中可以看出，改进后天线阵列的效率较常规阵列来至少提高23%。

表2 改进后4×4阵列仿真方向性系数

3 样件试制

为了验证改进措施的有效性，项目组在完成微带阵列设计和仿真的基础上加工了改进后的4个4×4微带阵列进行了测试。图6为改进后加工的微带阵列实验件，图7为改进后阵列测试方向图。表3为实测天线阵列效率和仿真结果对比。

图6 改进后4×4微带阵列实验件

图7 改进后阵列测试方向图

表3 仿真和实测天线效率对比

从实测结果可以看出，采取改进措施后天线效率明显提升，进一步验证了采取措施的有效性。

4 结束语

本文针对微带阵列天线效率低下的问题，通过理论和电磁仿真分析了根本原因，并提出了一种将馈电层各个馈电终端隔离以及辐射贴片的介质沿E面断开的方法，抑制了微带阵列天线单元间的互耦，提高了天线口径效率。数据和实测结果均证实了该技术的可行性和有效性，能够实现高效率的微带阵列天线，具有较强的参考价值。