一種非輻射邊饋電的寬帶雙層微帶貼片天線

　　1 引言

　　由于微帶天線具有低截面、輕重量、易加工等特點(diǎn)，這類天線在軍事和民用領(lǐng)域的應(yīng)用范圍越來(lái)越廣。特別是近年來(lái)SAR(合成孔徑雷達(dá))技術(shù)的快速發(fā)展，人們對(duì)微帶天線提出了越來(lái)越高的要求，希望在一個(gè)天線上能同時(shí)獲得寬頻帶、大掃描角、高效率、低交叉極化的性能，并且具有饋電簡(jiǎn)單、易與饋電系統(tǒng)集成等多方面的優(yōu)點(diǎn)。

　　微帶貼片天線的饋電方式有多種，這其中以微帶線共面饋電在結(jié)構(gòu)形式上最為簡(jiǎn)單，同時(shí)組陣時(shí)易于實(shí)現(xiàn)與饋電網(wǎng)絡(luò)的集成設(shè)計(jì)，應(yīng)用較廣。微帶饋電的矩形微帶貼片天線自報(bào)道以來(lái)成為應(yīng)用最為廣泛的微帶單元形式之一。但此種矩形微帶天線采用單層形式，帶寬很窄(通常<3%)，且饋電位置僅限于輻射邊。隨后，國(guó)內(nèi)外的科技工作者對(duì)各類矩形微帶天線作了大量的研究。為展寬工作帶寬，介紹了一種輻射邊饋電的雙層微帶貼片天線，其下層貼片為饋電元，上層導(dǎo)體貼片為寄生元，兩層中間為低介電常數(shù)的介質(zhì)層，該結(jié)構(gòu)利用雙諧振來(lái)展寬工作頻帶，此天線的最大工作帶寬可達(dá)10%左右。

　　而則率先介紹了一種非輻射邊共面饋電的單層矩形貼片天線，當(dāng)該單元用于微帶共面饋電陣列天線設(shè)計(jì)時(shí)可縮短饋電線的長(zhǎng)度，簡(jiǎn)化饋電網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)，故其可用作高效微帶陣列天線的設(shè)計(jì)，但其與普通單層矩形微帶天線一樣帶寬較窄。最近，專利提供了一種針對(duì)輻射邊饋電雙層矩形微帶天線的交叉極化抑制技術(shù)，其方法是在上、下輻射貼片上同時(shí)開(kāi)4個(gè)或4個(gè)以上縫隙，縫隙的取向與天線極化方向一致，通過(guò)抑制交叉極化的模式電流達(dá)到抑制天線單元交叉極化的目的。

　　將上述多種技術(shù)相結(jié)合，本文介紹了一種非輻射邊饋電的新型雙層微帶貼片天線，并對(duì)該天線的性能特點(diǎn)及其在陣列中的應(yīng)用情況進(jìn)行了研究。

　　2 單元結(jié)構(gòu)及仿真測(cè)試結(jié)果

　　天線單元的結(jié)構(gòu)組成如圖1，為實(shí)現(xiàn)寬帶工作采用與普通雙層微帶貼片天線相同的結(jié)構(gòu)形式，整個(gè)天線主要由饋電微帶板層、泡沫層、寄生微帶板層及接地結(jié)構(gòu)板四部分組成。其中饋電微帶板上蝕刻有饋電貼片與饋電微帶線，寄生微帶板上蝕刻有寄生貼片，為對(duì)寄生貼片起保護(hù)作用，圖中寄生元貼片采用倒置結(jié)構(gòu)。

　　與傳統(tǒng)雙層微帶貼片天線設(shè)計(jì)所不同的是，底層矩形貼片采用微帶線的非輻射邊饋電，采用此種饋電的方式的好處是可簡(jiǎn)化饋電網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)，但帶來(lái)的問(wèn)題是天線除激勵(lì)起主模TM01模之外還將激勵(lì)起TM10交叉極化模，這將惡化天線的交叉極化性能。對(duì)于單層矩形微帶貼片天線，文獻(xiàn)[3]提出通過(guò)選擇適當(dāng)?shù)木匦钨N片的長(zhǎng)寬比(1.5：1)來(lái)抑制TM10模。但HFSS的仿真結(jié)果表明單純的調(diào)整貼片的長(zhǎng)寬比對(duì)雙層微帶貼片的效果有限，雖然最佳長(zhǎng)寬比(1.5：1)條件下的帶內(nèi)最大交叉極化可達(dá)-10dB左右;但此時(shí)天線具有較低的輻射阻抗，寬帶阻抗匹配困難。為解決上述問(wèn)題，除對(duì)矩形貼片的長(zhǎng)寬比進(jìn)行適當(dāng)控制外，還在寄生貼片沿垂直于輻射邊的方向，開(kāi)一些均勻分布的細(xì)長(zhǎng)縫隙，通過(guò)割斷交叉極化模式的表面電流，達(dá)到抑制天線的交叉極化模式的目的。仿真研究結(jié)果表明，當(dāng)均勻分布的縫隙數(shù)達(dá)到3個(gè)以上，且Ls≥0.8W2時(shí)，天線的帶內(nèi)交叉極化趨于穩(wěn)定。

　　為驗(yàn)證上述研究結(jié)果，利用HFSS優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果，按下列參數(shù)設(shè)計(jì)制作了一個(gè)X波段的非輻射邊饋電雙層微帶天線單元：er1=2.94，h1=0.508mm;er2=1.07，h2=3.0mm;er3=4.39，h3=0.254mm;

　　a)剖面圖

　　b)饋電微帶板電路圖

　　c)寄生微帶板電路圖

　　圖1 天線單元結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

　　W1=8.7mm，L1=9.7mm;W2=9.2mm，L2=11.3mm;Ws=0.5mm，Ls=7.7mm。對(duì)該天線的測(cè)試結(jié)果表明，其在15.5 %的帶寬內(nèi)Vswr ≤1.2，帶內(nèi)兩主面的交叉極化優(yōu)于-16dB，圖2給出端口駐波曲線的仿真及測(cè)試結(jié)果，兩者十分吻合。可見(jiàn)相對(duì)普通雙層微帶貼片天線，新型單元的阻抗帶寬約寬3-5%，而交叉極化指標(biāo)兩者相當(dāng)。

　　圖2 單元駐波特性的仿真與測(cè)試結(jié)果

　　3 天線單元在陣列設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

　　上面所提出的這種新型雙層貼片天線單元可靈活地應(yīng)用于寬帶共面集中饋電微帶陣列天線的設(shè)計(jì)，并且相對(duì)于傳統(tǒng)輻射邊饋電的雙層微帶貼片單元，新型天線單元可簡(jiǎn)化天線陣的饋電電路，提高饋電效率，便于實(shí)現(xiàn)寬帶、高效的共面饋電天線陣;特別是應(yīng)用于微帶線陣設(shè)計(jì)時(shí)有利于節(jié)約饋電空間，便于設(shè)計(jì)大掃描角的天線陣。圖3給出了兩種微帶貼片單元的各類組陣方式對(duì)比圖。

　　a. 輻射邊饋電 b. 非輻射邊饋電

　　圖3 兩種微帶單元的組陣方式對(duì)比圖

　　利用此新型天線單元設(shè)計(jì)的X波段8×8微帶天線實(shí)驗(yàn)小陣，該小陣的饋電電路示意圖及實(shí)物照片如圖4，該小陣由8根1×8微帶線陣組成，線陣中各單元等幅同相饋電，實(shí)際應(yīng)用時(shí)每個(gè)線源使用T/R組件進(jìn)行饋電，可實(shí)現(xiàn)一維±25°的掃描，為抑制天線的交叉極化，相鄰線陣之間采用鏡像排列，饋電時(shí)相互反相。在微波暗室對(duì)此無(wú)源小陣的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果顯示：各線陣在17.6%的頻帶內(nèi)駐波比優(yōu)于1.6，整個(gè)小陣全空間的交叉極化優(yōu)于-30dB，最大副瓣電平優(yōu)于 -11dB，帶內(nèi)天線效率優(yōu)于70%，圖5和圖6分別給出各線陣的端口駐波實(shí)測(cè)曲線及線陣方向典型方向圖的測(cè)試結(jié)果。由這些結(jié)果可見(jiàn)該天線在很寬的頻帶內(nèi)表現(xiàn)出良好的性能指標(biāo)。

　　(a) 饋電電路

　　(b) 實(shí)物照片

　　圖4 X波段8×8單元天線小陣示意圖

　　圖5 8×8小陣中各線陣的端口駐波測(cè)試曲線

　　圖6 8×8小陣線陣方向的典型方向圖

　　4 結(jié)論

　　仿真及實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，非輻射邊饋電的雙層微帶貼片天線具有很好的寬帶工作能力，當(dāng)其應(yīng)用于共面集中饋電微帶陣列天線的設(shè)計(jì)時(shí)，可簡(jiǎn)化天線陣的饋電電路，提高饋電效率，便于實(shí)現(xiàn)寬帶、高效的共面饋電天線陣;特別是應(yīng)用于微帶線陣設(shè)計(jì)時(shí)有利于節(jié)約饋電空間，便于設(shè)計(jì)大掃描角的天線陣?？梢灶A(yù)見(jiàn)該種天線單元在雷達(dá)及通訊系統(tǒng)種具有廣闊的應(yīng)用前景。