一种新型相控阵天线的设计

一种新型相控阵天线的设计

20世纪60年代，苏联物理哲学家韦泽拉戈提出了左侧媒质（lhm）的物理概念。这种媒质的介电常数ε和磁导率μ都为负值,微波穿过LHM时呈现出后向波传播特性和负折射特性。复合左右手传输线是左手媒质的传输线实现形式。复合左右手传输线在相控阵天线方面的应用最近由加拿大的多伦多大学提出,主要包括两方面:一是将复合左右手传输线自身作为天线单元的频率扫描漏波天线,通过改变每个单元的传播常数控制天线的扫描范围和波束宽度;二是将复合左右手传输线用作阵列天线间的馈电结构,通过控制馈电网络的相移来实现阵列天线的波束扫描。本文基于第二种方式提出一种新型的相控阵列天线。该相控阵天线通过电压控制复合左右手传输线相移器的相移,从而实现波束扫描。该方式可实现馈电网络的小型化,并可简化相控阵的波束控制方式。1复合整体单元复合左右手传输线相移器的设计依据是相位补偿原理。右手传输线在正的群速度方向相位滞后,具有负的相移;左手传输线在正的群速度方向相位超前,具有正的相移。因此,在给定频率处级联右手传输线和左手传输线经过较短物理长度可实现正、负或者零度相位。根据这一原理设计的复合左右手传输线相移器单元如图1所示,其中d是微带线的长度,Z0为微带线的特性阻抗,C是加载串联电容,L是加载并联电感。对复合左右手相移器单元在零相位频率的周期性研究可知:在零相位点附近阻带闭合需满足在满足阻带闭合条件的情况下,左手相移器单元总的相移可近似写为如果同时调节L和C的值为rL×L、rC×C(r为变化因子),则相位可调范围可表示为同时调节L和C与只调节C相比,可使相移器的相位可调范围加倍。而相移器只要满足阻带闭合条件,则可在整个可调范围内保持较低的回波损耗。2相序矩阵的结构和工作原理2.1天线单元的设计限制本文设计的相控阵天线结构如图2所示,其馈电网络采用串联结构,与并联结构相比最显著的优点是馈电网络的小型化。较小的馈电网络可使阵列天线具有较小的辐射损耗。而且,串联馈电具有相位累积特性,将使阵列天线放松对相移器可调范围的设计限制。同时,该相控阵结构移去了传统串联馈电结构的中心主馈线,天线单元在馈电网络两侧交互排列。并在相邻单元间相移器前后分别插入两个λ/4的转换线,可使相邻单元间具有相同的相移器,从而可简化设计。相邻单元间相移器采用具有恒定阻抗的复合左右手传输线相移器。该相控阵天线在假定各天线单元得到相同的输入功率的前提下,λ/4转换线的特性阻抗可通过下式给定式中:ZA为天线单元的特性阻抗;ZPS相移器的特性阻抗。该相控阵天线要在中心频率实现边射辐射,各天线单元应反向馈电。其中每个λ/4阻抗转换线产生负的90º相移,则相邻单元间相移器在中心频点需实现零度相移,而复合左右手相移器与传统相移器相比显著的特点就是以较小的尺寸实现零度相移,这也是本设计的巧妙之处。2.2复合瞳相移柄相移器是相控阵设计的关键。即一旦信号发生变化,只要调节相移器的相移量就可使阵列天线波束的最大指向作出相应的变化,从而实现波束的扫描和跟踪。本设计中的相移器采用主传输线加载电抗器件的复合左右手传输线形式实现。该相移器具有尺寸小、易于采用标准的蚀刻技术制作、可在设计频率处呈现线性和宽带相位响应等特点。而且,该相移器根据加载器件值的不同,经过较短的物理长度可产生正、负或零相位相移。调节复合左右手相移器的相位,可实现相控阵天线的波束扫描与跟踪。相控阵天线的波束扫描角θ与相移的关系为式中:c是光速;φTL是相邻单元间两个λ/4传输线的相移;φPS是相邻单元间复合左右手相移器的相移;dE是相邻单元间距离。当阵列天线中心频率工作在边射方向时φTL=–π、φPS=0,扫描角度随频率的变化率为式中:Tgd是相移器的固有群延时;ω是工作角频率。从式(6)可看出,减小群延时的值,从而可减小阵列天线的波束倾斜。3复合东南角相移器仿真基于上述结构,设计工作在2.4GHz的四单元贴片相控阵天线如图3所示。天线、阻抗转换线和复合左右手相移器都集在同一块相对介电常数4.4,厚度为3.2mm的微带板上,该相控阵天线的平面特性适合应用于低成本的无线消费领域。整个相控阵天线的大小为236.0mm×65.8mm,其中天线单元采用四个相同的嵌入式λ/2谐振矩形贴片,大小为37.0mm×27.3mm。考虑到电抗器件的大小,复合左右手传输线相移器的特性阻抗选用75Ω,则相邻单元间阻抗转换线的特征阻抗可由(4)式计算出。复合左右手传输线相移器中加载的电容采用变容二极管SMV1232实现,加载的电感采用有源可调电感芯片实现。变容二极管和有源电感芯片都是电压控制器件,即通过调节电压就可改变复合左右手传输线相移器中加载电容和电感量。加载的电容和电感量需满足阻带闭合条件(1)式,可使相控阵天线在整个相位可调范围内保持较低的回波损耗。复合左右手传输线相移器单元产生的相移量可通过(2)式计算出。为增加相位可调范围,在本设计中级联两个复合左右手传输线单元。采用ADS软件对复合左右手传输线相移器进行电路仿真,调节电压的值,相移器的回波损耗和插入损耗如图4所示,相位随频率的变化如图5所示。从图4可以看出复合左右手传输线相移器在满足阻带闭合条件下,具有宽带响应特性,与前面的理论相符。从图5可以看出,复合左右手传输线相移器在很宽的带宽范围内具有线性相位特性。这些特性使得复合左右手传输线相移器适合用于相控阵天线,即通过电压控制相移器的相位,从而控制相控阵的波束扫描。将设计好的相移器参数代入相控阵天线进行整体仿真,仿真结果与通过(5)式理论计算的结果基本一致。进一步制作实物对其仿真结果进行验证。在实物制作时,由于有源可调电感的成本昂贵,采取了根据仿真结果对特殊值进行验证的方法进行实验。实验时分别选取了相控阵天线主波束在+15º,0º,–15º时制作测试,其相对应的电容和电感值由表1给出。对天线实物的S参数进行测量,将阵列天线左边的SMA接头与矢量网络分析仪连接,测试的回波损耗如图6所示。从图6可以看出,阵列天线在2.4GHz回波损耗小于–10dB的交叉带宽为80MHz,近似为3.3%。相控阵天线具有较小的相对带宽是由于贴片单元的窄带特性造成,若想要拓宽天线带宽则应选择宽带天线单元。对天线实物进行测量。将天线作为接受天线,喇叭天线作为发射天线,在长5m、宽3m采用锥形含碳海绵吸波材料制作的微波暗室进行测量,测试结果如图7所示。从图7可以看出,主波束方向可以实现从–15º到+15º通过边射方向的扫描,增益在8.2dBi到9.5dBi之间,其副瓣电平至少比主瓣电平低10dB。因复合左右手相移器的恒定阻抗特性,所以阵列天线的增益比较平坦。测试时输入频率每改变50MHz,波束倾斜1.3º,这是由于复合左右手相移器具有较小的尺寸,因此具有较小的群延时,由(6)式可知较小的群延时可使阵列天线具有较小的波束倾斜(2°/100MHz)。4复合整体网络扫