一种高增益宽频带圆极化微带阵列天线的研制

摘 要：针对微带天线阻抗匹配带宽一般较窄的自身缺陷，基于相控阵雷达天线的应用背景，设计了一种工作在X波段的双层圆极化微带天线结构，且优化发现，其各电磁参数良好。为提高其增益，还在此基础上设计并最终制作了双层2×2结构的微带天线阵列，其实测性能与设计值相符，增益达到10.7 dB，带宽1.2 GHz，相应轴比为4 dB，符合圆极化要求。

关键词：相控阵雷达天线；X波段；微带天线阵；圆极化

中图分类号：TN822 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2013）06-0020-03

0 引 言

相控阵雷达具有可多发多收、快速响应及定位波束指向，可用多部发射机同时工作以整合功率，结构上易于使天线与雷达集成共形等特点，在实现高速探测、高效和并行跟踪、拓展雷达三维作用范围等方面具有明显的优势，因此，相控阵雷达成为当今雷达发展的主流。相控阵雷达与外界信号的交流与传递离不开雷达的天线系统，天线系统性能的优劣很大程度上决定了雷达系统的优良。而就相控阵天线的发展方向而言，小型化、集成化、高增益是一重要方面。

20世纪60年代中期，天线阵技术的主要形式是开口波导和振子类型的天线单元组成的阵；到70年代之后，随着微带天线的问世和发展，人们对以微带线馈电的微带天线阵产生了浓厚的兴趣。这是由于微带阵列天线具有众多先天优势，如外形简单，易于分析研究和加工制作，成本低廉且体积小适合大众研发能力，容易同应用后端集成共形，易于实现多极化、变极化或多频点工作等优点，而其馈电网络可以与阵列天线共面集成于同一块介质基板上更是其他类型的阵列天线望尘莫及的特性。可是，微带阵列天线也存在一些固有缺陷，如增益较小，带宽窄，在高频段容易出现表面波，单个阵元承受功率受到一定的限制等。为了解决这些问题，经过研究人员近几十年的努力，它的一些缺陷正逐步得到改善，包括采用新的介质材料、新的制作工艺等，已使它的频带宽度、辐射增益和应用范围等都得到了很大的改善，从而使微带阵列天线在相控阵天线高增益、集成化的发展方向上得到越来越多的应用。由于其特征所趋，国内外对于相控阵天线的研究重心都放在了军事领域，尤其是各种雷达、通信、遥感和卫星等设备中，目的是能够在复杂的电磁环境中正常有效地完成工作目标，近些年来也广泛地应用于各种空间飞行器之上。目前，为了满足新时期国民经济社会建设发展的需要，有源、无源相控阵天线在卫星广播电视、无线互联通信、国土气象预测等民用商业领域也都得到了相对广泛的应用。

本文就是基于X波段相控阵雷达天线的背景而开展研究工作的，其实际内容主要是完成微带天线阵列的设计与制作。首先设计了双层微带阵列天线的单元结构并使其达到综合最佳性能，然后完成了双层2×2微带阵列天线的设计与制作，并测试了天线性能。

1 微带天线的辐射原理

根据不同的微带天线分析方法，其辐射原理由相应不同的理论来解释。这里以最简单的矩形微带单元天线为例对微带天线的辐射原理进行简单的说明。典型的微带矩形贴片天线结构如图1所示，矩形微带贴片天线由三层构成：最上层的是矩形金属贴片，金属贴片下面是由绝缘介质材料构成的基板，最下层的是导体接地板。

由于矩形贴片可以看作一段微带传输线，因此设电场沿矩形辐射贴片的宽度方向与基板厚度方向没有变化，那么此天线的电场结构可表示为电场E仅沿矩形辐射贴片的长度方向的变化。在矩形贴片的两端（辐射边）呈现开路，形成电压波腹。因为矩形贴片长约为半波长，所以矩形贴片两端电场E的垂直于导体层方向的分量相位相反，而与其平行的方向上分量相位相同。于是在远场区，两个相位相反的法向分量在接地板上半空间的辐射互相抵消，而两个相位相同的切向分量在接地板上半空间得以叠加。矩形辐射贴片切向方向电场最强，偏离此方向的强度会随角度的增大而减小，形成辐射方向图。因此，天线向外部空间的辐射主要由垂直于传输线的两条上下导体间的缝隙而产生。

下文中的讨论就是基于以上的天线辐射原理，构造空间叠层的双层结构，试图以贴片间辐射缝隙的互耦作用来提高天线的整体工作带宽等电磁参量。

2 双层寄生微带阵列天线单元的设计

为了方便天线设计及真实反映天线的电磁性能，我们采用了HFSS电磁仿真软件，该仿真软件是Ansoft公司开发的应用有限元法的大型三维电磁场仿真软件。它能够计算任意形状无源结构的电磁场问题，并以其无可媲美的仿真精准度和可靠性、迅捷的仿真速度、易于上手的操作界面、成熟可靠的自适应网格剖分技术，成为了业内三维电磁仿真的首选软件和业内标准。它不仅可以求解内部场问题，还可以求解外部远场的散射问题，具有宽频快速扫描能力，可以直接得到端口的输入阻抗及S参数，远场辐射方向图等参数。

在HFSS中建立双层微带阵列天线单元的仿真模型的结构如图2所示。天线单元由两层介质板组成，由下到上分别为接地板、介质基板、下层馈电贴片、介质基板、上层耦合贴片。贴片均采用方形贴片，通过增加切角来实现圆极化波。下层馈电贴片采用带状线侧馈的馈电方式，上层采用电磁耦合馈电的馈电方式。通过调节耦合贴片与馈电贴片的各尺寸和之间的耦合间距，可以达到扩宽带宽的效果。

对于仿真优化模型中各贴片尺寸及耦合间距，当下层尺寸w为5.2 mm时，上层尺寸s为5 mm，耦合间距t为3 mm时，远场增益为6.8 dB，带宽为500 MHz。

3 双层微带2×2阵列天线的设计

由以上的双层微带阵列天线单元的各尺寸为基础，建立双层2×2阵列天线的模型并仿真优化，相应各馈线阻抗的计算方式采用带状线阻抗计算方式，以利于阵列天线的阻抗匹配设计。双层2×2阵列天线的模型仿真图如图3所示。

优化2×2阵列天线的阵元间距及各馈线尺寸，可以得到最佳的天线各参数性能。实验发现，当阵元y方向间距为22 mm，x方向间距为20 mm时，远场增益和阻抗匹配设计得到最佳。远场增益仿真图如图4所示，其增益最大值约为12 dB。

4 双层微带2×2阵列天线的制作与测试

由双层微带2×2阵列天线的模型图画出AutoCAD版图并加工制作，版图中的通孔是为了叠层时用螺丝固定而设置的，上层介质的开槽是为了方便同轴接头的焊接。加工版图如图5所示，天线实物样机如图6所示。

在矢网分析仪与微波暗室中测试天线参数性能，得出的S11曲线如图7所示，天线效率与远场增益如图8所示。

由以上双层2×2阵列的测试图可以看出，该天线的匹配良好，带宽1.2 GHz，加上微波暗室测试时自带电缆的1 dB插损，10 GHz处的增益为10.7 dB。

取测试增益较好的频率点10.0 GHz观测其轴比，其结果如表1所列。

此次测试中的天线垂直摆放，故Theta=90°、Phi=90°是天线最大辐射方向，即Phi=π/4=0.785 398。由表1可以看出，最大增益方向上轴比约为4 dB。

通过双层微带2×2阵列天线的测试结果可以看出，天线的阻抗匹配带宽已有了明显的扩展，且组阵增益达到了10.7 dB，与仿真值接近，轴比为4 dB，符合圆极化要求。

5 结 语

本文设计方案的提出是为了实现微带天线高增益、宽频带、圆极化的整体要求，通过此新型的双层结构的设计与模型优化，得到了一组较理想的天线电磁性能参数值，为组成更大阵列的天线以及构建相控阵天线提供了单元基础。

参 考 文 献

[1] 束咸荣，何炳发，高铁.相控阵雷达天线[M].北京：国防工业出版社，2007.

[2] 钟顺时.微带天线理论与应用[M].西安：西安电子科技大学出版社，1991.

[3] 张钧，刘克诚.微带天线理论与工程[M].北京：国防工业出版社，1988.

[4]CHIN K S， CHANG H T， LIU J A， et al. Stacked patch antenna array on LTCC substrate operated at 28 GHz [J]. Journal of Electromagnetic Waves and Applications， 2011（25）： 527-538.

[5] RIDA A， TENTZERIS M， NIKOLAOU S. Design of low cost microstrip antenna arrays for mm-Wave applications [C]// 2011 IEEE international Symposium on Antennas and Propagation. Spokane， WA： IEEE， 2011： 2071-2073.