共形相控阵的宽频带宽波束双圆极化微带贴片天线
发布时间:2008/5/29 0:00:00 访问次数:1523
共形相控阵天线要求其天线能在飞机、舰船及车辆等任意弯曲的表面上进行安装，并与之共形。当要求共形相控阵天线的波束覆盖范围很大时，天线单元的方向图就要有足够的波束宽度。适用于共形相控阵天线的单元形式一般有微带天线和缝隙天线。比较两种天线的特性不难发现，缝隙天线的单元方向图宽度很难满足要求。概括来讲应用于共形相控阵的天线要求天线单元具有主要特点：方向图扫描角度较宽，可达±6°以上；频带较宽，可达5％；与载体共形，即天线的纵向尺寸要尽量小；双圆极化工作。
1 设计思想
微带天线近年来愈来愈受到人们的重视，因为他具有很多天线所没有的特点：便于获得圆极化，容易实现双频段和双极化，尺寸小、重量轻、价格低，尤其是他有很小的剖面高度，易附着于任何金属物体表面，最适于某些高速运转的物体，如飞机、火箭、导弹等。微带天线的缺点是工作频带很窄，基本辐射单元具有明显的谐振特性，当工作频率偏离谐振点后，其输入阻抗急剧减小，在馈电点产生强烈的反射，使天线不能正常工作。 这里采用双层微带天线方案来解决宽频带的问题。宽频带双层微带天线的基本形式如图1所示。
其中下层导体贴片为馈电元，上层导体贴片为寄生元，两层中间为空气(可采用泡沫材料来支撑上层)或介质材料。这类双层结构因为有两个导片，因而形成两个谐振电路，具有两个谐振频率，当配置得当时，两个谐振频率适当接近结果形成频带大大展宽的双峰谐振电路。
另外，试验表明，双层微带天线不仅能够大大展宽频带，而且可使e面波瓣变窄到与h面波瓣相近，使天线方向图具有良好的等化特性，这也就意味着双层结构微带天线可以成为一个好的馈源和圆极化辐射器。
这里需要解决的第二个问题就是宽波束覆盖的问题。从文献[2]可知，通过改变贴片单元和反射板之间的距离，可以将方向图调整到在有用的覆盖区为最佳覆盖。实际计算中发现，增加贴片和反射板之间的距离可以增加方向图的宽度，选取合适的高度即可得到指标要求的方向图覆盖范围。 2 设计方法
一直以来，微带天线的理论虽已日渐成熟，也有一些简单的设计公式可以参考，但始终都没有一套准确有效的设计方法。特别是对于一些复杂结构的微带天线更是难以准确设计，只能依靠大量的反复的试验得到结果，这样不仅耗时耗力耗资金，而且很难达到最佳设计效果。近年来，ansoft公司的hfss软件提供了一种方便直观的设计方法，大量的设计应用也验证了他的准确性。首先利用设计公式设计出基本的结构尺寸，再利用hfss软件进行建模和优化设计，最终得到所需要的满足技术要求的模型。
3 设计结果
3.1 辐射单元形式
依据以上设计思想和设计方法，研制了一种双贴片形式的微带天线，而且贴片距离反射板之间有一定的高度，他不仅可以有效地展宽频带，而且可以获得较宽的方向图。
计算机仿真计算的结果如下：
方向图：轴向增益4.5 db；
±30°范围内等化良好；
±60°时增益为2.2 db。
计算曲线如图2，图3所示。
由以上仿真结果可知，这种形式的贴片天线作为共形相控阵天线的辐射单元完全可以满足使用要求。另外，从性能来看，他也可以成为性能良好的前馈天线的馈源。
3.2 3 db电桥
为实现天线的圆极化，需用3 db电桥对贴片进行两点馈电。采用部分介质填充的带状线圆环型3 db电桥形式，利用了贴片与反射板之间的空间进行安装，使得3 db电桥不再另外增加天线的高度，巧妙地实现了馈电点与载体共形的设计要求。其结构形式如图4所示。
计算机仿真计算的结果及计算曲线如下：
反射损耗≤-27 db；
幅度不平衡≤0.03 db；
移相量90°±0.1°
4 实验结果
根据以上计算结果，进行了结构设计，并加工生产出这种双层微带贴片天线的实物，实验测得其主要技术指标为：
电压驻波比：vswr<1.25；
半功率波束宽度>±60°；
圆极化轴比<1 db。
具体测试曲线见图8和图9。
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共形相控阵天线要求其天线能在飞机、舰船及车辆等任意弯曲的表面上进行安装，并与之共形。当要求共形相控阵天线的波束覆盖范围很大时，天线单元的方向图就要有足够的波束宽度。适用于共形相控阵天线的单元形式一般有微带天线和缝隙天线。比较两种天线的特性不难发现，缝隙天线的单元方向图宽度很难满足要求。概括来讲应用于共形相控阵的天线要求天线单元具有主要特点：方向图扫描角度较宽，可达±6°以上；频带较宽，可达5％；与载体共形，即天线的纵向尺寸要尽量小；双圆极化工作。 1 设计思想 微带天线近年来愈来愈受到人们的重视，因为他具有很多天线所没有的特点：便于获得圆极化，容易实现双频段和双极化，尺寸小、重量轻、价格低，尤其是他有很小的剖面高度，易附着于任何金属物体表面，最适于某些高速运转的物体，如飞机、火箭、导弹等。微带天线的缺点是工作频带很窄，基本辐射单元具有明显的谐振特性，当工作频率偏离谐振点后，其输入阻抗急剧减小，在馈电点产生强烈的反射，使天线不能正常工作。 这里采用双层微带天线方案来解决宽频带的问题。宽频带双层微带天线的基本形式如图1所示。 其中下层导体贴片为馈电元，上层导体贴片为寄生元，两层中间为空气(可采用泡沫材料来支撑上层)或介质材料。这类双层结构因为有两个导片，因而形成两个谐振电路，具有两个谐振频率，当配置得当时，两个谐振频率适当接近结果形成频带大大展宽的双峰谐振电路。 另外，试验表明，双层微带天线不仅能够大大展宽频带，而且可使e面波瓣变窄到与h面波瓣相近，使天线方向图具有良好的等化特性，这也就意味着双层结构微带天线可以成为一个好的馈源和圆极化辐射器。 这里需要解决的第二个问题就是宽波束覆盖的问题。从文献[2]可知，通过改变贴片单元和反射板之间的距离，可以将方向图调整到在有用的覆盖区为最佳覆盖。实际计算中发现，增加贴片和反射板之间的距离可以增加方向图的宽度，选取合适的高度即可得到指标要求的方向图覆盖范围。 2 设计方法 一直以来，微带天线的理论虽已日渐成熟，也有一些简单的设计公式可以参考，但始终都没有一套准确有效的设计方法。特别是对于一些复杂结构的微带天线更是难以准确设计，只能依靠大量的反复的试验得到结果，这样不仅耗时耗力耗资金，而且很难达到最佳设计效果。近年来，ansoft公司的hfss软件提供了一种方便直观的设计方法，大量的设计应用也验证了他的准确性。首先利用设计公式设计出基本的结构尺寸，再利用hfss软件进行建模和优化设计，最终得到所需要的满足技术要求的模型。 3 设计结果 3.1 辐射单元形式 依据以上设计思想和设计方法，研制了一种双贴片形式的微带天线，而且贴片距离反射板之间有一定的高度，他不仅可以有效地展宽频带，而且可以获得较宽的方向图。 计算机仿真计算的结果如下： 方向图：轴向增益4.5 db； 计算曲线如图2，图3所示。 由以上仿真结果可知，这种形式的贴片天线作为共形相控阵天线的辐射单元完全可以满足使用要求。另外，从性能来看，他也可以成为性能良好的前馈天线的馈源。 3.2 3 db电桥 为实现天线的圆极化，需用3 db电桥对贴片进行两点馈电。采用部分介质填充的带状线圆环型3 db电桥形式，利用了贴片与反射板之间的空间进行安装，使得3 db电桥不再另外增加天线的高度，巧妙地实现了馈电点与载体共形的设计要求。其结构形式如图4所示。
反射损耗≤-27 db； 4 实验结果 根据以上计算结果，进行了结构设计，并加工生产出这种双层微带贴片天线的实物，实验测得其主要技术指标为： 电压驻波比：vswr<1.25；
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