一种宽波束相控阵天线单元
一种宽波束相控阵天线单元
作 为相控 阵 天 线 的重 要 组 成 部 分 ， 性 能 直 接 影 其 响 相控 阵天线 的性 能 。天 线 单 元 的选 取 不 仅 要 满
ｅｅ ｎ ａ ｅ ｕ ｅ ｏ ｈ ｓ ｄａ ｒ ｙａ ｔｎ ａ ． ｌ ｍｅ ｔｃ ｎ ｂ ｓ ｄ ｆ ｒ ｐ ａ ｅ ｒａ ｎ ｅ ｎ ｓ
Ｋ ｅ ｒ ｓ： ａ ｅ ａ ｅ ｅ ｅ ； ｗｉ － ｂｅ ｍ ； ｐｈ ｓ ｄ ａｒａｙ ａ ｅ ｎａ；ｗ ｉ － ａ ｇｌ ｃ ｎｎｉｇ； Ｕ－ ｈ ｅ ｐ ｔ ｈ ｙ ｗｏ ｄ ｎｔ ｎｎ ｌｍ ｎｔ ｄｅ ａ ａ ｅ ｒ ｎｔ ｎ ｄｅ ｎ ｅｓ ａ ｎ ｓ ａｐ ａ ｃ
（． 国 电 子 科 技 集 团 公 司 第 三 十 八 研 究 所 ， 徽 合 肥 ２ ０ ３ ； １中 安 ３０ １ ２安徽大学电子科学与技术学 院， 徽合肥 ２０３） ． 安 ３０ ９
摘
要 ：对 于 宽 角扫 描 相 控 阵天 线 ， 线 单 元 的 宽 波 束 特 性 是 保 证 相 控 阵 天 线 宽 角扫 描 的 前 提 条 件 。 天
ｉ ｅ ｅ ｅ ｎ ｈｉ ｐ ｒ Ｔ ｈ ｌｍ ｅ ｓ ａ ｌ ｅ ａ ｉｙ ｍｏｄ ｌｔ ｏ ｙ， ｏ ｉ ｉｅ ＦＳＳ ８ ｓｍ ｕｌ— ｓ ｐｒ ｓ ｎｔｄ ｉ ｔ ｓ ｐａ ｅ ． ｅ ｅ ｅ ｎｔｉ ｎａｙｚ ｄ ｂｙ ｃ ｖ ｔ ｅ ｈｅ ｒ ｐｔｍ ｚ ｄ ｂｙ Ｈ ．０ ｉ ａ
相控阵天线实施方案
相控阵天线实施方案相控阵天线是一种利用多个天线单元共同工作来实现波束形成和指向控制的天线系统。
相控阵天线在通信、雷达、无线电导航等领域有着广泛的应用，其性能直接影响到系统的通信质量和探测能力。
因此，设计和实施相控阵天线方案显得尤为重要。
一、相控阵天线的基本原理。
相控阵天线通过控制每个天线单元的相位和幅度，实现波束的形成和指向的控制。
相控阵天线系统通常由大量的天线单元组成，这些天线单元之间通过相控网络进行连接，从而实现波束的形成和指向的控制。
相控阵天线的工作原理可以简单地理解为通过改变每个天线单元的信号发射相位和幅度，使得它们的信号在特定方向上相干叠加，从而形成一个指向性很强的波束。
二、相控阵天线的实施方案。
1. 天线单元设计，相控阵天线的性能直接受到天线单元设计的影响。
在实施相控阵天线方案时，需要充分考虑天线单元的设计，包括天线的增益、带宽、波束宽度、辐射方向等参数。
合理的天线单元设计可以有效提高相控阵天线系统的性能。
2. 相控网络设计，相控阵天线的相控网络是实现相控阵功能的关键。
相控网络需要能够准确地控制每个天线单元的相位和幅度，同时还需要考虑相控网络的复杂度和实现成本。
在实施相控阵天线方案时，需要对相控网络进行合理设计，以满足系统性能和成本的要求。
3. 波束形成算法，波束形成算法是相控阵天线系统中的核心部分。
波束形成算法需要能够根据指定的波束方向和宽度，计算出每个天线单元的相位和幅度，从而实现波束的形成。
在实施相控阵天线方案时，需要选择合适的波束形成算法，并进行优化和调整，以提高系统的波束形成精度和稳定性。
4. 系统集成与调试，相控阵天线系统的实施不仅包括硬件设计和制造，还包括系统集成和调试。
在实施相控阵天线方案时，需要对系统进行全面的集成和调试，包括硬件和软件的调试、系统性能的测试和验证等工作，以确保系统能够正常工作并满足设计要求。
5. 性能评估与优化，相控阵天线系统的实施并不是一次性的工作，还需要对系统的性能进行评估和优化。
一种S频段卫星通信相控阵天线设计
一种S频段卫星通信相控阵天线设计郭超;赵春柳;鄢泽洪;张天龄【摘要】为了解决目前卫星通信相控阵天线波束扫描角度范围较小、低仰角增益较低等问题,采用双层微带结构,加载圆形金属腔体,实现了更宽波束的S频段圆极化相控阵单元,来提高相控阵低仰角增益.然后,用24个单元按照水滴状形式排布组成相控阵阵列,以减小风阻.仿真结果表明,在收发频段内,相控阵单元的电压驻波比小于1.3,轴比小于3 dB,单元在阵中的3 dB波瓣宽度为120°左右;天线阵列在扫描到仰角25°时,其增益相比天顶方向(仰角90°)下降了4 dB左右.最后,加工好的天线阵列测试结果和仿真结果具有很好的一致性,波束扫描角度较宽,低仰角增益较大,满足设计要求.%The phased array antenna for satellite communication has a smaller beam-scanning angel and a lower gain at the low elevation angel at present.A circularly polarized (CP) antenna element with a wide beam-width in the S-band is proposed.To enhance the realized gain at a low elevation angel,this element is adopted with the dual-layer micro-strip structure and loads a circular metal cavity.Based on the element,a phased array antenna composed of 24 antenna units is designed,which has a water-drop form to reduce wind resistance.The simulated results show that over the transmitting and the receiving frequency band,the voltage standing wave ratio(VSWR)of this element is less than 1.3,that the axial ratio(AR)is less than 3 dB,and that 3 dB beam-width of the element is about 120°in the array;the realized gain of the array is declined about 4 dB when the scanning angle is approaching 65°.Later,the measured results of the manufactured array antenna present a good consistency with thesimulated results.It possesses a wide scanning angle and a high realized gain at low elevation angel,which satisfies the design requirement.【期刊名称】《西安电子科技大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2018(045)003【总页数】6页(P175-180)【关键词】卫星通信;相控阵;波束扫描;圆极化;水滴状【作者】郭超;赵春柳;鄢泽洪;张天龄【作者单位】西安电子科技大学天线与微波技术重点实验室,陕西西安 710071;国防科技工业局军工项目审核中心,北京 100000;西安电子科技大学天线与微波技术重点实验室,陕西西安 710071;西安电子科技大学天线与微波技术重点实验室,陕西西安 710071【正文语种】中文【中图分类】TN821+.8S波段主要应用在中继、无线通信和雷达等领域．现代的卫星通信手段具有普通通信方式所不具有的明显优点，例如覆盖范围广、受环境影响小、通信容量大和通信质量高等，是解决机载平台远程作战通信问题的最佳途径．相控阵天线相比于传统的机械扫描天线，其优点为波束扫描更加灵活、波束切换更快和波束扫描空间广，能够满足现代卫星通信的要求，因而相控阵的发展有很广阔的前景[1-3]．相控阵的主要优点为波束扫描速度快和跟踪精度高，能够适应载体的高速机动性能；而相控阵的不足之处主要是在相控阵规模有限的情况下，扫描到低仰角时增益较低，因此扫描范围有限．其主要原因为相控阵天线单元的波束宽度有限，单元低仰角时增益较低．为了改善相控阵天线的低仰角性能，要求单元设计时具有较宽的波束宽度，较大的低仰角增益．同时为了减小整个相控阵天线的风阻，天线单元需要使用低剖面且小型化的单元类型．综上所述，相控阵天线若满足宽角扫描、低剖面、小型化以及圆极化等特性，则天线单元就要满足较宽的波束宽度以及较好的圆极化特性．为了解决目前相控阵所存在的这些问题，笔者采用单馈双层微带结构，通过加载圆形金属腔体，设计了一个工作在S频段的宽波束圆极化相控阵单元，以提高相控阵低仰角增益．在此基础上用24个单元按照水滴状形式排布组成相控阵阵列，以减小风阻．并对相控阵在收发频段中心频点处的仿真和实测增益进行了对比分析，文中相控阵天线性能满足了设计指标．图1 3种单元结构仿真方向图1 天线单元及阵列结构1.1 天线单元结构为了实现低剖面、宽波束和小型化的特性，这里选取微带天线作为相控阵的单元形式[4-5]．微带天线具有非常多的种类，文献[6-7]给出了形成圆极化的多种方法，例如双极化合成圆极化、切角、表面开槽、双馈和平面螺旋天线等多种形式，文献[8-9]提出通过加载结构可以展宽波束宽度．图1为平面螺旋、双层微带以及加载金属腔体的双层微带3种单元结构中心频点处的仿真方向图．可以看出，加载腔体的双层微带结构 3 dB 波束宽度最宽，仰角为25°时(θ=65°) 增益最高．这里选择加载腔体的双层微带结构作为文中相控阵的天线单元．文中设计的天线单元由上下介质层、中间空气层以及外围金属腔体组成，其结构如图2所示．上下介质层均为圆形，其半径分别为ru和rd，高度分别为h1和h3，介电常数εr= 2.65，上下介质层的金属贴片半径分别为r1和r2，中间为空气层，高度为h2；上层金属贴片为引向贴片，用于提高天线增益，下层金属贴片有两个对称的大小为w×l 的矩形开槽，用以实现左旋圆极化，馈电位置在斜45°方向，到贴片圆心距离为px，馈电点后面的矩形大小为w1× l1，用来调节天线的驻波；金属腔体厚度为t，外径为ru，总高度为 t+ h1+ h2+ h3，用于展宽波束宽度，提高单元低仰角增益，减小单元之间的互耦．利用电磁软件高频结构仿真(High Frequency Structure Simulation，HFSS)进行优化后，单元的结构尺寸如表1所示．图2 天线单元结构示意图表1 天线单元结构尺寸表变量名称数值变量名称数值变量名称数值ru/mm35.00h2/mm15.60w/mm4.36rd/mm30.00h3/mm3.00l/mm17.00r1/m m24.00px/mm24.15w1/mm7.00r2/mm25.90t/mm5.00l1/mm3.53h1/mm1.5 0εr2.651.2 天线阵列结构按照相控阵的要求和设计指标，以及考虑到天线安装在运动速度较快的载体表面，整体采用椭圆柱水滴流线型结构来减少风阻，最终设计的相控阵单元排布俯视图以及坐标系统如图3所示．天线坐标系统中，φ为方位角，θ为阵列扫描角，与阵列俯仰角互余．天线阵列按照椭圆形进行布局，从内到外一共分为3层，分别有2个、8个和14个天线单元．每个天线单元分别接一个同轴线进行馈电，单元间距为0.55λ0左右．同时，单元之间在空间具有一定的角度旋转，形成连续旋转馈电阵列．在远场方向，所有相控阵单元有一定的空间旋转，并补偿相应的旋转相位，所有单元的主极化电场相位相同，同相叠加，交叉极化电场方向相反；反向相消，整个天线阵列的交叉极化降低，从而改善阵列的轴比特性．图3 相控阵天线阵列排布及其坐标系统2 天线单元及阵列仿真结果2.1 天线单元在阵列中的方向图由前面的分析可知，相控阵的扫描角度与天线单元的波束宽度相关，天线的波束宽度越宽，阵列的低仰角增益越高，阵列扫描角度就越宽．文中设计的天线频段范围为f1-f2，中心频点为f0，低频发射频段的中心频点为fL，高频接收频段的中心频点为fH，相对带宽约为14.3%．图4为1号天线单元在阵列中的仿真结果．可以看出，单元在整个频率范围的电压驻波比均小于1.3，收发频段内其轴比均小于 3 dB，圆极化性能较好．频率在fL处，单元1的最大增益为4.5 dB，3 dB 波束宽度约为120°; 频率在fH处，单元1的最大增益为 5.3 dB，3 dB 波束宽度约为120°，天线单元在阵列中波束角度很宽．当θ=65° 时，天线单元增益为1.5 dB 左右，低仰角增益较高，可以满足天线阵列较宽扫描角度的要求．图4 单元在阵中仿真结果示意图2.2 天线阵列的波束扫描经过HFSS软件仿真，可以得到相控阵的增益覆盖特性．图5为天线在方位角φ为0°、90°、180°和270°时，天线在扫描角度θ为0°以及15°、25°、35°、45°、55°、65°(也即仰角为75°、65°、55°、45°、35°、25°)时的增益变化曲线．天线天顶方向增益为 18 dB，天线效率为81%，随着扫描角度的增大，低高频中心频点处的增益则随之降低．图5 阵列在不同方位面内波束扫描时俯仰面的增益变化仿真曲线图6 θ=65°时方位面的阵列增益仿真曲线图6为相控阵列在扫描角度θ最大65°时，天线在方位角360°范围内的低高频中心频点处的增益变化曲线．可以看出，在同一扫描角面上，阵列天线增益随方位角φ的变化趋势基本一致．在要求的扫描范围内(0°≤ φ≤ 360°，0°≤ θ≤ 65°)，24元阵列天线在低高频中心频点处的增益均大于 13.5 dB，此时方位面的不圆度小于2 dB．3 相控阵的测试结果图7为相控阵天线加工组装的样机以及测试环境．整个天线系统包括天线阵列、6个四通道三位数字移相器、一分24功分器、电源模块和控制模块．其中天线单元连接移相器，移相器和功分器相连，移相器通过电源模块供电，并经波束控制模块控制每一个单元的馈电相位．图7 相控阵天线样机实物图及测试环境图8为天线在方位角φ为0°、90°、180°和270°时，天线在扫描角度θ为0°以及15°、25°、35°、45°、55°、65°(也即仰角为75°、65°、55°、45°、35°、25°)时的增益实测变化曲线．可以看出，随着扫描角度的逐步增大，低高频中心频点处的增益则随之逐步降低．图8 阵列在不同方位面内波束扫描时俯仰面的增益变化实测曲线图9为相控阵列在θ=65°(也即仰角为25°)时，天线在方位角范围内的低高频中心频点实测增益变化．可以看出，天线在此方位面的增益总体趋势和仿真结果类似，方位面上的不圆度为 2.5 dB，与仿真结果基本一致．相控阵列在扫描范围内(方位角0°≤φ≤360°，扫描角0°≤θ≤65°)，高低频中心频点处的增益均在 9.8 dB 以上．图10为功分器总端口到天线馈电端口24个通道的损耗实测曲线，通道损耗不超过 3 dB．天线实测增益与仿真增益基本一致，其误差在于: 相控阵的输入相位是仿真得到的理论相位，实际增益比仿真增益低; 受测试系统及环境的影响，测量会有实验误差，实际测量值会偏低．最终的测量结果在误差范围之内，完全满足设计指标要求．图9 θ=65°时方位面的阵列增益实测曲线图10 低高频中心频点处通道损耗实测曲线4 结束语文中针对目前卫星通信对于终端相控阵的要求，设计了一种S频段的宽波束、低剖面、小型化的圆极化相控阵天线．相控阵天线单元为双层微带结构，使用单馈和表面开槽的形式在频带内实现了较好的阻抗匹配和圆极化性能，并增加了外围腔体展宽波束、减小单元互耦，单元总高度为 21.6 mm，总直径为 70 mm，阵中 3 dB 波束宽度约为120°．天线阵列总高度为 40 mm，大小为640 mm× 640 mm，实测在扫描范围内(方位角0°≤ φ≤ 360°，扫描角0°≤ θ≤ 65°)的增益均在 9.8 dB 以上，有较宽的扫描角范围，阵列整体采用旋转馈电结构，也有比较好的圆极化性能，满足了相控阵的宽角扫描、低剖面、小型化和圆极化等设计要求．参考文献：[1] NIKFALAZAR M N, SAZEGAR M, MEHMORD A, et al. 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宽带多波束星载相控阵天线技术
宽带多波束星载相控阵天线技术
何凌云;梁宇宏
【期刊名称】《电子技术应用》
【年(卷),期】2024(50)6
【摘要】为了满足星载Ka波段相控阵天线瞬时工作带宽大、同时多波束的需求,设计了一种基于子阵内相移和子阵间延迟的宽带模拟多波束相控阵天线。
设计的28×28单元阵列分为4个子阵列结构,子阵列内的每个单元使用移相器,子阵列之间使用延迟线。
这种移相器和延迟线的组合控制方案可以实现相控阵天线的宽带广角扫描。
仿真结果表明,在800 MHz的瞬时工作带宽和±54°的扫描角下,所提出的天线的指向精度偏差不超过0.4°,增益恶化不超过0.5 dB。
同时,采用封装天线(AiP)架构实现了天线的轻薄化、集成化,适用于宽带多波束星载相控阵天线的设计。
【总页数】7页(P77-83)
【作者】何凌云;梁宇宏
【作者单位】中国西南电子技术研究所
【正文语种】中文
【中图分类】TN86
【相关文献】
1.星载多波束相控阵天线设计与综合优化技术研究
2.可重构星载多波束相控阵天线设计与实现
3.基于子阵列的低轨星载多波束相控阵天线的设计与实现
4.星载多波束相控阵馈电反射面天线研究
5.某星载多波束相控阵天线结构设计与分析
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相控阵天线宽角宽带扫描方法研究
相控阵天线宽角宽带扫描方法研究一、简述随着无线通信技术的不断发展，相控阵天线在宽角宽带扫描方面的研究越来越受到关注。
相控阵天线是一种利用多个振子相互干涉的原理实现信号发射和接收的天线，具有频率选择性好、方向性强、抗干扰能力强等优点。
然而传统的相控阵天线在进行宽角宽带扫描时，往往面临着频谱扩展能力不足、扫描速度慢、易受环境干扰等问题。
因此研究一种高效、稳定、抗干扰的相控阵天线宽角宽带扫描方法具有重要的理论和实际意义。
本文主要研究了相控阵天线宽角宽带扫描方法，首先分析了传统方法存在的问题，然后提出了一种基于数字信号处理技术的新型宽角宽带扫描方法。
该方法通过引入自适应滤波器对信号进行动态处理，实现了宽角宽带扫描的有效控制。
同时为了提高扫描速度和稳定性，本文还设计了一种并行化的扫描方案，将扫描过程分为多个子任务，通过多线程并行执行的方式提高了扫描效率。
此外为了降低环境干扰对扫描结果的影响，本文还采用了自适应调制技术对信号进行调制，提高了抗干扰能力。
通过对所提出的宽角宽带扫描方法进行仿真验证和实际应用测试，本文证明了该方法在提高扫描速度、稳定性和抗干扰能力方面具有明显的优势。
这为相控阵天线在宽角宽带通信领域的应用提供了有力的理论支持和技术保障。
1. 相控阵天线的概述和发展历程相控阵天线是一种利用多个天线单元相互之间的相位和振幅关系来实现空间波束控制的天线系统。
随着科技的发展，相控阵天线在通信、雷达、导航等领域得到了广泛应用。
本文将研究相控阵天线宽角宽带扫描方法，以提高其在宽角宽带信号处理中的应用性能。
相控阵天线的发展历程可以追溯到20世纪60年代，当时人们开始研究如何利用多个天线单元来实现空间波束控制。
在70年代和80年代，相控阵天线技术得到了进一步发展，尤其是数字信号处理技术的应用，使得相控阵天线能够实现更精确的波束形成和控制。
90年代以后，随着微电子技术和计算机技术的飞速发展，相控阵天线的研究进入了一个新的阶段，如多波束天线、自适应天线等新型天线结构相继出现。
一种小规模超宽带相控阵天线设计
一种小规模超宽带相控阵天线设计柏艳英【摘要】目前基于阵元间强耦合效应已设计出超宽带相控阵天线,但是其规模较大.针对规模小或者在扫描方向上规模小,如何增强阵元间耦合而实现超宽带相控阵天线的问题,采用平衡对踵Vivaldi天线(BAVA)作为天线单元,优化天线单元辐射金属的形状,并采用镜像法布阵天线单元设计出一个小规模4×16的斜极化超宽带相控阵天线.仿真和试验结果表明,采用的方法可以增强小规模超宽带相控阵天线的阵元间耦合效应,实现频率0.8f0~2.0f0(f0为工作频率)驻波比小于2,法向增益达17.34~23.0 dBi,在±45°范围内实现无栅瓣扫描.该小规模超宽带相控阵天线已在实际工程中应用.%At present,a lot of ultra-wideband(UWB) phased arrays have been designed based on the strong mutual coupling between the array elements.But the UWB phased arrays are large.For a small scale or a small scale array in the scanning direction,the problem of how to achieve the ultra-wideband perform-ances by enhancing the mutual coupling between the array elements is necessary to be developed.In this paper,Balanced Antipodal Vivaldi Antennas (BAVAs) are adopted. By optimizing the radiation metal shape and arranging the direction of the antenna elements with mirroring technique,a small 4×16 oblique polarization UWB phased array is designed.The simulation and experiment results show that this method can enhance the mutual coupling between the small UWB array elements. The array has a good voltage standing-wave ratio(VSWR) less than 2.0 in the frequency 0.8f0~2.0f0(f0is the operation frequency), norm gain 17.34 ~23.0 dBi,and large scanning angle beyond 45° without gratinglobes. The designed small scale UWB phased array antenna has been applied in engineering.【期刊名称】《电讯技术》【年(卷),期】2018(058)002【总页数】5页(P214-218)【关键词】超宽带相控阵天线;平衡对踵Vivaldi天线(BAVA);阵元耦合;镜像技术;大角度扫描【作者】柏艳英【作者单位】中国西南电子技术研究所,成都610036【正文语种】中文【中图分类】TN822.81 引言超宽带相控阵天线是天线综合技术发展的一个重要方向，有利于满足成本、尺寸、重量、性能要求，减少传感器综合的天线总数，实现天线资源的高度综合和高效共享。
一种双波束相控阵天线的设计与实现
一种双波束相控阵天线的设计与实现邬树纯;倪文俊【摘要】介绍了一种双波束相控阵天线,阐述了其工作原理、设计方法及实测结果.该天线阵工作于P波段,用于雷达干扰发射系统,发射波束为方位同时双波束,并且每个波束均可独立电扫描,实现了同时对多目标、多方位的雷达干扰.【期刊名称】《舰船电子对抗》【年(卷),期】2014(037)003【总页数】5页(P85-89)【关键词】相控阵;多波束;波束扫描;雷达干扰【作者】邬树纯;倪文俊【作者单位】中国电子科技集团公司51所,上海201802;中国电子科技集团公司51所,上海201802【正文语种】中文【中图分类】TN821.80 引言目前各国大量应用的雷达干扰系统，大多采用单波束天线。
此类系统波束指向单一，通过机械转动实现波束在空间的扫描。
由于雷达体制的不断改进和升级，雷达部署越来越密集，对雷达干扰系统也提出了更高的要求，其中多方位、多目标同时干扰就是摆在雷达干扰系统面前的一个具体问题。
因此，同时多波束雷达干扰技术近年来倍受推崇。
多波束是指天线向空中辐射的电磁波是由多个波束组成，每个波束覆盖一定的空域，从而满足对同时多方位、多目标的覆盖需求。
对于相控阵天线，仅通过改变馈入天线单元的相位即可使波束扫描，实现波束捷变。
本文详细介绍了一种用于雷达干扰发射系统的双波束相控阵天线的设计与工程实现。
该相控阵天线的主要技术指标为：工作频率：P波段；极化：斜45°极化；增益：≥21dBi；波束宽度：25°×6°（方位×俯仰，中心频率）；波束数：2个（同时）；扫描角度：0°、±12.2°、±25°、±40°7个固定波束。
1 基本原理1.1 相控阵天线原理图1为一个N单元的均匀直线阵列［1－2］。
为讨论方便起见，假定该线阵位于一个直角坐标系内。
线阵中第i个天线单元的激励电流为Ii（i＝0，1，…，N－1），每个天线单元所辐射的电场强度与其激励电流成正比。
相控阵天线和反射面天线主要技术指标
相控阵天线和反射面天线主要技术指标下载温馨提示：该文档是我店铺精心编制而成，希望大家下载以后，能够帮助大家解决实际的问题。
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雷达科学与技术
S cienc e and Te c hnology
Vol. 5
Ap ril
No . 2 2007
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一种宽波束相控阵天线单元
郭 琳1 , 朱小三1 ,2 , 邹永庆1
(1. 中国电子科技集团公司第三十八研究所 ,安徽合肥 230031 ; 2. 安徽大学电子科学与技术学院 ,安徽合肥 230039)
效磁流为
M s = Ez^ez ×^n
(15)
式中 , ^n 是辐射缝所在磁壁的法向单位矢量 。计入 接地板引起的 Ms 正镜像 , 则其在远区场的电矢位 可由式 (16) 求得 :
∫ F
=
1 4π
Ms
v
e - jk0 r d v r
(16)
这样 ,远区辐射场为
E = - ×F
H
=
j
ωμ
×E
(17)
式中 ,
λ0 120σc
+ tanδ
-1
( 2)
1 45λ20
a b
,
a
<
0 . 35λ0
Kr =
1 60λ0
1 b
-
1 30 abπ2
,
0 .
35λ0
<
a < 2λ0 (3)
1 60λ0
1 b
,
2λ0
<
a
由式 (1) 、(2) 、(3) 可以得出 : 微带天线的带
宽 B W 随着贴片长宽比 a/ b、基板厚度 h、介质损耗
所以腔 内 只 有 电 赫 兹 矢 量 , 它 可 表 示 成 如 下 形
式[5] :
Πe
=
g
(
→
rT
)φ(
z
)
^ez
(5)
式中 ,
→
g( r T)
是关于横行变量
x 、y 的标量函数 ,
φ( z) 是关于纵向变量 z 的标量函数 , 它们满足波
动方程 :
2
→
g( r T)
+
k2T
g
(
→
rT
z
= 0,h时,
5 Ez 5z
=0
y=
y0 时 ,
Hx
=
0,
5 Hy 5y
=0
y=
y1 , 0
<
x
<
x1 时 ,
Hx
=
0,
5 Hy 5y
=0
(4)
y = y0 + b 时 , Ez = 0
x
= 0,
a/
2
时,
5 Hx 5x
= 0,
Hy
=0
x
=
x1 ,
y0
<
y
<
y1
时,
5 Hx 5x
= 0,
Hy
=0
由于馈源电流 J = ^ez J z , 且不随 z 坐标改变 ,
图 1 天线结构示意图
3 理论分析
从天线单元的结构可以看出 , U 形贴片与接 地板和介质基板构成的空间与一般的脊波导相比 只有边界条件的不同 ,可视为一个 U 形脊波导腔 ,
因此可用腔模理论及模匹配理论对其进行分析 。 现对 U 型结构建立坐标如图 2 所示 。
图 2 U 型贴片结构
贴片上下两壁为电壁 , y = y0 + b 处由金属片 与地板短路相接 , 其他三面都是磁壁 。U 形波导 腔右侧边界条件如下 :
据此 ,可得电磁场为
→
E( r)
= φ′( z)
→
f ( r T)
+ k2T g ( rT)φ( z) ^ez (10)
→
H( r)
=
jωεφ( z)
→
g( r T)
×^ez
(11)
通过计算模式本征值及展开系数 ,可得到势
分布函数为
∑∞ η1nco s
n=0
k x1n x
co s
1 引言
相 控 阵 天 线 技 术 以 其 独 特 的 无 惯 性 波 束 扫 描 、方便快捷的波束调度和能量管理等优势在雷 达和通信等方面得到了广泛的应用 ,而天线单元 作为相控阵天线的重要组成部分 ,其性能直接影 响相控阵天线的性能 。天线单元的选取不仅要满 足工作频段 、带宽 、耐功率和极化等要求 ,而且在 阵中的方向图应满足最大扫描角的要求[1] 。
关键词 : 天线单元 ; 宽波束 ; 相控阵 ; 宽角扫描 ; U 形贴片
中图分类号 : TN821 + . 8 文献标识码 :A 文章编号 :167222337 (2007) 0220157204
A Wide2Beam Antenna Element f or Phased2Array
GUO Lin1 , ZHU Xiao2san1 ,2 , ZOU Yong2qing1 (1. N o. 38 Research I nstit ute of Chi na Elect ronic Technolog y Cor poration , He f ei 230031 , Chi na; 2. I nstit ute of Elect ronic S cience an d Technolog y , A nhui Uni versit y , He f ei 230039 , Chi na) Abstract : Fo r t he p hased array antennas , wide2beam of antenna element is t he p reconditio n fo r wide2 angle scanning. A U2shape patch element for p hased array antennas wit h wide2beam bot h in E2and H2planes is p resented in t his paper. The element is analyzed by cavity model t heo ry , optimized by H FSS 8. 0 simula2 ting software , fabricated and tested. The measured result s indicated t hat t he element has 110°beam widt h bot h in E2and H2planes , and t he measured result s are agreed well wit h simulatio n ones. This p roves t hat t he element can be used fo r p hased array antennas. Key words : antenna element ; wide2beam ; p hased array antenna ; wide2angle scanning ; U2shape patch
天线单元电压驻波比在 Agilent8719 ES 矢量 网络分析仪上测得 ,结果如图 4 所示 。该天线单元 可工作在 2. 15～3. 5 GHz 频率范围内 ,具有很好 的宽频带特性 。
本天线单元是在微带贴片上开 U 形缝隙 ,其 在结构上的特点是非常简单 ,可以获得较小的天 线尺寸 。这种结构的微带天线由于具有 U 形缝 隙 ,缝隙边缘电流引入了附加谐振 ; 同时 ,缝隙也 引入了容抗 ,与探针的感抗相抵消 ,从而展宽了带 宽[729 ] 。
U 形贴片与接地板由矩形贴片短路相接 , 起反射器作用 ,且压缩了寄生 U 形贴片的尺寸 ,起 到展宽波束宽度的作用 。U 形缝隙使得天线在水 平及垂直方向都有辐射 ,也起到了展宽波瓣宽度 的作用 。同时 , 我们利用单极天线在 φ方向的全 向特性 , 使矩形馈电贴片与同轴馈电内导体构成 顶端加 载 单 极 天 线 , 进 一 步 展 宽 了 天 线 的 波 束 宽度 。
L5
s1
h
0. 1 0. 14 0. 14 0. 03 0. 05 0. 015 0. 07
W1 W2 W3 W4 W5
s2
0. 2 0. 055 0. 03 0. 11 0. 025 0. 02
通过测试 , 验证了天线的宽频带 、宽波束特 性 。天线实物见图 3 。天线测试结果示于图 4 和 图 5。
4 仿真与实验结果
在对该天线单元分析后 ,我们设计制作了一 个天线单元 ,并用 A nsof t H FSS 8. 0 仿真软件对 其进行了优化 ,优化后的结构尺寸由表 1 给出 。
表 1 天线单元的结构尺寸
λ
结构尺寸 L 尺寸数值 0. 24
结构尺寸 W 尺寸数值 0. 31
L1
L2
L3
L4
通常使用的天线单元有终端开口的波导 (或 喇叭) ,接地平面上的偶极子天线 、微带天线和缝 隙天线等[2] 。其中 ,微带天线因具有体积小 、重量 轻 、剖面低 、馈电方式灵活 、花费少 、易与飞行器共 形等优点而深受人们的青睐 。尤其是它的低剖
面 、易与飞行器共形的特点 ,可使载体具有优良的 气动力学特性 ,所以在飞行器上选用这种天线非 常有利 。但是一般的微带天线单元带宽窄 ,并且 仅在单个的 E 面或 H 面具有较宽的方向图[324] ,并 不能满足在方位和俯仰上都进行宽角扫描的二维 相控阵天线的要求 。本文提出的宽波束微带相控 阵单元其驻波带宽大于 35 % ( V SWR < 1. 5) ,在 E 面和 H 面都有很好的宽波束特性 ,波束宽度均达 110°,能满足二维相控阵宽角扫描特性的要求 ,而 且天线为平面结构 ,易于加工 ,易于与载体共形 , 用途广泛[526 ] 。