一种新型低剖面双极化相控阵天线单元的设计_杨丽娜.pdf
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1、第 卷 第 期 年 月弹 箭 与 制 导 学 报 ,.:收稿日期:作者简介:杨丽娜(),女,河南新乡人,高级工程师,硕士,研究方向:天馈系统设计。一种新型低剖面双极化相控阵天线单元的设计杨丽娜,姬江伟(中国空空导弹研究院,河南 洛阳;河南省交通运输发展集团有限公司洛阳分公司,河南 洛阳)摘 要:针对目前双极化天线普遍存在低剖面结构、高极化隔离度实现的难题,提出一种新型的低剖面平面微带振子结构,两个正交的微带振子均采用同轴探针引至下方不同的带状线层进行馈电,并采用巴伦实现平衡至不平衡的转换。两个极化馈电层分层设计,实现了小于 的高极化隔离度。通过天线单元的设计及仿真,研究了关键参数对单元天线性能
2、的影响,并加工 线阵试验件,由实物测试及数据对比分析,验证了此种天线的性能。结果表明:此天线结构剖面低,极化隔离度小于 ,接近设计水平,结构改进可优化极化隔离度。关键词:低剖面;双极化;相控阵;交叉极化;微带振子中图分类号:;文献标志码:,(,;,):,:;引言相控阵天线是既能高速扫描又能多功能工作的综合天线,它是由许多天线单元组成,并在每个单元上用可变相位或时延控制使波束扫描到空间给定角度上。相控阵的频带宽度、极化特性、扫描范围等也由阵列单元决定,因此天线单元对相控阵的性能起着决定性的作用。极化是除频率、幅度、相位以外,描述电磁波矢量性的又一重要信息。作为探测系统的重要组成部分,双极化天线成
3、为了研究重点之一。近年来,人们提出了多种双极化天线,如微带振子天线、微带贴片天线、天线等。微带振子天线一致性好、结构简单、带宽较宽,但是其为直立结构,纵向剖面高,隔离度也不高。双极化微带贴片天线主要有探针馈电微带贴片天线、缝隙耦合贴片天线、微带共面馈电贴片天线,以及上述 种形式取两种的组合。其中缝隙耦合天线具有低剖面、高隔离度、宽带宽等优点,如 型缝隙耦合贴片单元,但与后端 连接较为困难;天线作为直立天线的典型结构,天线阵列加工及装配较为复杂。随着相控阵天线高度集成化发展,实现低剖面双极化天线阵面尤为关键。文中提出一种新型的低剖面双极化相控阵天线单元,开展了单元的关键结构参数仿真分析,得到其变
4、化趋势对天线性能的影响,并完成了天线单元的设计,其有源驻波、阵列扫描方向图及极化隔离度性能良好。为验证此种天线单元的性能和加工工艺,开展 天线试验件结构设计、加工及测试,并进行实测弹 箭 与 制 导 学 报第 卷数据与仿真设计数据的对比分析。天线单元设计 天线单元结构天线单元采用正交的平面微带振子,分别由同轴探针引至下方的不同层带状线进行馈电,保证两个极化的馈电层物理隔离。两个极化的同轴馈电接口通过同轴 带状线过渡,即贯通最下层接地板,分别与下层及上层的馈电带状线相连接。设计的天线结构如图 所示。同轴接口根据实际应用需求(此处采用类同轴端口)进行适应性设计。图 天线单元结构示意图 单元结构参数
5、对性能的影响分析两个正交的平面微带振子均由探针引至下方不同的带状线层进行馈电,采用带状线巴伦实现平衡至不平衡的转换,并将带状线转换为类同轴实现同轴馈电。天线关键设计参数如图 所示。带状线巴伦两臂的长度差影响天线方向图的波束指向,调整巴伦两臂长度就可以实现天线方向图波束指向天线阵面法向位置。微带振子的馈电巴伦由多级不同宽度的带状线实现阻抗匹配,每级带状线的长度根据结构布局适当选择,其宽度对端口阻抗匹配效果影响明显。决定此种平面微带振子天线单元性能的主要参数有微带振子的长度、微带振子的宽度、各级带状线的宽度(、)、探针半径()、类同轴馈电探针半径()、类同轴焊盘半径()及巴伦的两臂长度差。设计此种
6、平面微带振子单元时,首先需要初选微带振子长度,一般取为 (为自由空间波长);根据工艺可实现性,选择两探针间距约 左右,对称微带振子之间间隙为 ,并倒圆角实现隔离;在调整优化带状线和类同轴过渡的匹配性能后,对巴伦的两臂进行仿真优化,满足天线波束指向法线方向;优化整个天线单元性能,确定最终天线结构参数。图 天线的关键设计参数此处令两极化天线单元和馈电结构参数保持一致,两极化天线的结构参数对天线性能影响规律相同,现以一个端口为例,分析天线的关键结构参数对其性能影响的规律。微带振子长度和宽度平面微带振子的长度(表示振子长度的一半)和宽度()影响天线单元的驻波匹配性能,其中长度变化影响较大。微带振子长度
7、增加时,天线驻波带宽有一定的展宽,特别是频率高端,长度到达一定值时,中端驻波恶化明显。微带振子宽度增加时,频率高端驻波恶化明显,频率低端与中端变化不明显。微带振子长度和宽度对天线性能影响的仿真曲线如图 所示。第 期杨丽娜等:一种新型低剖面双极化相控阵天线单元的设计图 微带振子长度和宽度对天线性能影响曲线 探针半径和类同轴馈电探针半径探针半径和类同轴馈电探针半径对天线的阻抗匹配有明显的影响,需要仿真分析以选取性能较优且工程化可实现的半径。探针半径增大,天线频率低端阻抗匹配改善明显,频带内阻抗匹配可达到最佳效果。类同轴半径增大,阻抗匹配恶化明显,此处选择类同轴半径工程可实现的最小值 。两者对天线性
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