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，這類天線在軍事和民用領域的應用范圍越來越廣。特別是近年來SAR(合成孔徑雷達)技術的快速發(fā)展，人們對微帶天線提出了越來越高的要求，希望在一個天線上能同時獲得寬頻帶、大掃描角、高效率、低交叉極化的性能，并且具有饋電簡單、易與饋電系統(tǒng)集成等多方面的優(yōu)點。

　　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構形式上最為簡單，同時組陣時易于實現(xiàn)與饋電網(wǎng)絡的集成設計，應用較廣。微帶饋電的矩形微帶貼片天線自報道以來成為應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，國內(nèi)外的科技工作者對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，上層導體貼片為寄生元，兩層中間為低介電常數(shù)的介質層，該結構利用雙諧振來展寬工作頻帶，此天線的最大工作帶寬可達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，當該單元用于微帶共面饋電陣列天線設計時可縮短饋電線的長度，簡化饋電網(wǎng)絡的設計，故其可用作高效微帶陣列天線的設計，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輻射邊饋電雙層矩形微帶天線的交叉極化抑制技術，其方法是在上、下輻射貼片上同時開4個或4個以上縫隙，縫隙的取向與天線極化方向一致，通過抑制交叉極化的模式電流達到抑制天線單元交叉極化的目的。

　　將上述多種技術相結合，本文介紹了一種非輻射邊饋電的新型雙層微帶貼片天線，并對該天線的性能特點及其在陣列中的應用情況進行了研究。

　　2 單元結構及仿真測試結果

　　天線單元的結構組成如圖1，為實現(xiàn)寬帶工作采用與普通雙層微帶貼片天線相同的結構形式，整個天線主要由饋電微帶板層、泡沫層、寄生微帶板層及接地結構板四部分組成。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，為對寄生貼片起保護作用，圖中寄生元貼片采用倒置結構。

　　與傳統(tǒng)雙層微帶貼片天線設計所不同的是，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化饋電網(wǎng)絡的設計，但帶來的問題是天線除激勵起主模TM01模之外還將激勵起TM10交叉極化模，這將惡化天線的交叉極化性能。對于單層矩形微帶貼片天線，文獻[3]提出通過選擇適當?shù)木匦钨N片的長寬比(1.5：1)來抑制TM10模。但HFSS的仿真結果表明單純的調整貼片的長寬比對雙層微帶貼片的效果有限，雖然最佳長寬比(1.5：1)條件下的帶內(nèi)最大交叉極化可達-10dB左右;但此時天線具有較低的輻射阻抗，寬帶阻抗匹配困難。為解決上述問題，除對矩形貼片的長寬比進行適當控制外，還在寄生貼片沿垂直于輻射邊的方向，開一些均勻分布的細長縫隙，通過割斷交叉極化模式的表面電流，達到抑制天線的交叉極化模式的目的。仿真研究結果表明，當均勻分布的縫隙數(shù)達到3個以上，且Ls≥0.8W2時，天線的帶內(nèi)交叉極化趨于穩(wěn)定。

　　為驗證上述研究結果，利用HFSS優(yōu)化設計結果，按下列參數(shù)設計制作了一個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 天線單元結構簡圖

　　W1=8.7mm，L1=9.7mm;W2=9.2mm，L2=11.3mm;Ws=0.5mm，Ls=7.7mm。對該天線的測試結果表明，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試結果，兩者十分吻合?？梢娤鄬ζ胀p層微帶貼片天線，新型單元的阻抗帶寬約寬3-5%，而交叉極化指標兩者相當。

　　圖2 單元駐波特性的仿真與測試結果

　　3 天線單元在陣列設計中的應用

　　上面所提出的這種新型雙層貼片天線單元可靈活地應用于寬帶共面集中饋電微帶陣列天線的設計，并且相對于傳統(tǒng)輻射邊饋電的雙層微帶貼片單元，新型天線單元可簡化天線陣的饋電電路，提高饋電效率，便于實現(xiàn)寬帶、高效的共面饋電天線陣;特別是應用于微帶線陣設計時有利于節(jié)約饋電空間，便于設計大掃描角的天線陣。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比圖

　　利用此新型天線單元設計的X波段8×8微帶天線實驗小陣，該小陣的饋電電路示意圖及實物照片如圖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，實際應用時每個線源使用T/R組件進行饋電，可實現(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，饋電時相互反相。在微波暗室對此無源小陣的各項技術指標進行了測試，結果顯示：各線陣在17.6%的頻帶內(nèi)駐波比優(yōu)于1.6，整個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測曲線及線陣方向典型方向圖的測試結果。由這些結果可見該天線在很寬的頻帶內(nèi)表現(xiàn)出良好的性能指標。

　　(a) 饋電電路

　　(b) 實物照片

　　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試曲線

　　圖6 8×8小陣線陣方向的典型方向圖

　　4 結論

　　仿真及實驗結果表明，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，當其應用于共面集中饋電微帶陣列天線的設計時，可簡化天線陣的饋電電路，提高饋電效率，便于實現(xiàn)寬帶、高效的共面饋電天線陣;特別是應用于微帶線陣設計時有利于節(jié)約饋電空間，便于設計大掃描角的天線陣?？梢灶A見該種天線單元在雷達及通訊系統(tǒng)種具有廣闊的應用前景。