x波段微带阵列天线设计

x波段微带阵列天线设计

1天线级微带天线的应用微带排列的天线具有体积小、重量轻、制作简单、安装方便、外形美观等优点，此外，由于风雨交加的影响较小，深受用户欢迎。目前,阵列天线已成功地应用于机载雷达、卫星通信、移动通信和卫星电视系统。微带天线的主要缺点是频带窄、介质损耗大。特别是对于高的频率,他的不足尤为明显。因此,在高频工作状态,寻找一种低损耗高性能的微带天线形式甚为重要。微带天线的单元增益一般只有6～8dB,为了获得更大的增益,或为了实现特定的方向性,常采用由微带辐射元组成的微带阵列天线。随着工作频率的提高,微带阵列天线的馈线损耗是微带阵列天线辐射效率低的主要原因。因此,降低馈线损耗是解决微带天线在高频应用的主要途径。在某光电雷达工程中,收发天线子阵采用了新颖的4×4单元微带阵列天线形式。微带阵列天线的辐射单元为空气微带贴片天线,提高了天线的效率;同时馈线网络采用空气带状线形式,大大降低了天线的馈线损耗。2辐射设备2.1天线单元的选择辐射单元是阵列天线的基础,辐射单元形式最终决定了阵列天线的电气性能及阵列天线的可实现性。因此,在选择辐射单元时,既要考虑单元天线的增益,又要考虑天线的横向尺寸及工艺性。一般可选择下面几种天线单元:(1)矩形微带天线单元;(2)有寄生元双层微带单元;(3)微带折合振子;(4)口径耦合微带天线;(5)波导口辐射单元。通过计算机仿真设计和实验研制,确定了口径耦合微带贴片天线作为4×4单元阵列天线的辐射单元,同时馈线网络采用空气带状线形式,这样可以大大减小馈线损耗。口径耦合微带天线结构形式如图1所示。2.2微带胶片天线振幅特征分析微带天线的最简单而又适合某些工程应用的理论模型是传输线模型。该模型将矩形微带贴片看成为场沿横向(a边)没有变化的传输线谐振器。场沿纵向(b边)成驻波变化,辐射主要由两开路端处的边缘场产生。微带贴片天线分析示意图如图2所示。天线贴片宽度a的大小影响着微带天线的方向性函数、辐射电阻和输入电阻,从而影响频带宽度和辐射效率。当a大于下式时,微带贴片天线将可能产生高次模,引起场的畸变。贴片宽度:a=c2fr(εr+12)-1/2(1)a=c2fr(εr+12)−1/2(1)贴片谐振长度:b=λ02√εe-2Δl=c2fr√εe-2Δl(2)b=λ02εe√−2Δl=c2frεe√−2Δl(2)其中:Δl=0.412hεe+0.3ah+0.264εe-0.258ah+0.8(3)εe=12[εr+1+(εr-1)(1+10ha)-1/2](4)Δl=0.412hεe+0.3ah+0.264εe−0.258ah+0.8(3)εe=12[εr+1+(εr−1)(1+10ha)−1/2](4)c是光速,fr为贴片天线的谐振频率,εr为有效介电常数,对于空气介质,有效介电常数为1。对于一定尺寸的微带贴片天线,增大基片厚度h可以展宽频带宽度,但h/λ0过大会引起表面波的明显激励。其最大值约为h/λ0⧋0.2。用传输线模型计算的矩形微带贴片天线方向函数可表示为:f(θ,φ)=sin(12k0acosθ)cosθsinθcos(12k0bsinθsinφ)(5)f(θ,φ)=sin(12k0acosθ)cosθsinθcos(12k0bsinθsinφ)(5)H面(φ=0):FΗ(θ)=sin(12k0acosθ)cosθsinθ(6)FH(θ)=sin(12k0acosθ)cosθsinθ(6)E面(φ=π/2):FE(θ)=cos(12k0bsinφ)(7)FE(θ)=cos(12k0bsinφ)(7)天线的方向性系数D为:D={6a＜0.35λ08aλ(1-2λ0π2a)-10.35λ0≤a<2λ0(8)D={6a＜0.35λ08aλ(1−2λ0π2a)−10.35λ0≤a<2λ0(8)34单元方向函数辐射元在x和y方向等间距排列,阵元排列如图3所示。设阵元位于xy平面内,在x方向有nx个单元,在y方向上有ny个单元,其间距为dx和dy。如图4所示。设第mn个单元的激励和相位分别为Vmn和Ψmn,则远场P点的电场可写成:E(θ,φ)=E1⋅f1(θ,φ)⋅nx∑m=1ny∑n=1VmnV11⋅ej[(m-1)kdxsinθcosφ+(n-1)kdysinθsinφ+Ψmn](9)E(θ,φ)=E1⋅f1(θ,φ)⋅∑m=1nx∑n=1nyVmnV11⋅ej[(m−1)kdxsinθcosφ+(n−1)kdysinθsinφ+Ψmn](9)其方向函数为:f(θ,φ)=f1(θ,φ)⋅f(a)(θ,φ)(10)f(θ,φ)=f1(θ,φ)⋅f(a)(θ,φ)(10)式中:f1(θ,φ)为单元方向函数,f(a)(θ,φ)为阵因子。当每个单元为相似元时,其激励的幅度和相位相同即:Vmn=V11,Ψmn=0时,阵因子的解析表达式为:f(a)(θ,φ)=sin(Νx2⋅Ψx)Νx⋅sin(12Ψx)⋅sin(Νy⋅Ψy2)Νy⋅sin(12Ψy)(11)其中:Ψx=k·dx·sinθ·cosφ;Ψy=k·dy·sinθ·sinφ。当φ=90°时,其E面归一化阵因子为:fae=sin(12Νy⋅k⋅dy⋅sinθ)Νy⋅sin(12k⋅dy⋅sinθ)(12)当φ=0°时,其H面归一化阵因子为:fah=sin(12Νx⋅k⋅dx⋅sinθ)Νx⋅sin(12k⋅dx⋅sinθ)(13)为了保证在规定的角度θs内不出现栅瓣,单元间距应满足下列公式:dx=dy＜λ1+sinθs(14)当θs=180°时,dx=dy<λ,此时在180°内不会出现栅瓣。4辐射方向图测试通过上述理论计算和高频仿真,设计了一个4×4阵列天线,其测试的辐射方向图如图5所示。图5中辐射方向图测试角度范围为±30°,可以看出,其第一副瓣电平≤-12.5dB,与理论计算相当。对4×4阵列天线其他指标进行测量,测出天线在10.4～10.55GHz频带范围内的驻波比小于1.2;增益大于19.5d