平板端射天線陣饋電特性的研究

1引言

陣列天線在現(xiàn)今的通信、雷達(dá)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，在實(shí)際工作中，陣列天線的每一個(gè)天線單元都是開(kāi)放型電路，各單元之間并不是完全隔離的而是存在著互耦。互耦是天線陣，尤其是小間距天線陣和大型天線陣天線綜合中的一個(gè)關(guān)鍵性問(wèn)題，對(duì)設(shè)備的系統(tǒng)性的優(yōu)劣具有決定性作用。互耦問(wèn)題的存在會(huì)影響天線的輻射性能。一般來(lái)說(shuō)，互耦使饋入某一天線能量的一部分被其他天線單元所吸收，因而整個(gè)陣列天線系統(tǒng)輻射性能就會(huì)下降。因此人們一直在尋找去除耦合的有效途徑，如增大單元間距，或者改變陣列的結(jié)構(gòu)形式等方法。然而互耦作為一種物理現(xiàn)象是不可能完全消除的，它或多或少地存在于天線單元之間，因此有必要弄清互耦對(duì)陣列天線饋電特性的影響，從而為抑制或補(bǔ)償單元在陣列中的互偶效應(yīng)奠定理論和實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)。

現(xiàn)階段，國(guó)內(nèi)外對(duì)于陣列天線的互耦研究一般以微帶陣，喇叭陣，側(cè)射陣和算法居多，在端射天線陣的互耦方面，很少見(jiàn)到公開(kāi)報(bào)道。

本文通過(guò)軟件仿真，研究了互耦對(duì)端射天線陣列饋電特性的影響，并對(duì)實(shí)際工作的平板端射天線陣的每一單元逐個(gè)測(cè)試，對(duì)比仿真和實(shí)測(cè)的結(jié)果，驗(yàn)證了仿真情況下獲得的饋電特性和阻抗特性的變化規(guī)律。

2計(jì)算仿真

圖1所示是仿真系統(tǒng)下建立的一個(gè)平板端射天線單元的模型。

圖1單個(gè)平板端射天線模型

該天線采用的是同軸線饋電的方式，工作頻點(diǎn)為3Ghz，設(shè)置的仿真頻段范圍是2.5~3.5Ghz，邊界條件設(shè)置為自由空間。通過(guò)運(yùn)算后，得到s11幅度及相位的數(shù)據(jù)，駐波比曲線，輸入阻抗曲線，三維方向圖和增益依次如下所示。

圖21單元仿真vswr結(jié)果圖

圖31單元仿真輸入阻抗圓圖結(jié)果圖

圖41單元仿真三維方向圖及增益結(jié)果圖

由仿真可知，3Ghz處的s11幅度為-5.16dB，相位是79.37°，駐波比為3.46，輸入阻抗為32.1+50.2j，增益為14.62dB。

接下來(lái)的仿真實(shí)驗(yàn)就是針對(duì)陣列的耦合影響所做的從軸向、橫向以及小陣的不同角度進(jìn)行仿真分析。首先把軸向仿真的結(jié)果繪制成表格，如下所示，其中2a代表的是前面放置1單元的2元組陣形式，2b代表的是后面放置1單元的2元組陣形式，8a代表的是前面放置4單元，后面放置3單元的8元組陣形式，8b代表的是前面放置3單元，后面放置4單元的組陣形式。

表1軸向排列陣列仿真結(jié)果匯總表

縱觀整張表格，我們可以發(fā)現(xiàn)這樣幾處特點(diǎn)：第一，處于陣列中的陣單元受耦合影響是顯然存在的，其中對(duì)于s11幅度，駐波比，和增益的影響最大，單元數(shù)少時(shí)，輸入阻抗變化明顯，但單元數(shù)增多后，輸入阻抗變化較小了；第二，同樣是2元的陣列時(shí)，位于被測(cè)天線前的單元對(duì)主元有遮擋效應(yīng)，位于后方的單元對(duì)主元有反射效應(yīng)，但是即使只有反射效應(yīng)的時(shí)候，增益比獨(dú)立的單元還是低了0.33dB，說(shuō)明耦合對(duì)陣中單元的影響是會(huì)降低增益的；第三，當(dāng)單元數(shù)逐漸增大后，被測(cè)單元的各項(xiàng)指標(biāo)已趨于穩(wěn)定，說(shuō)明相隔較遠(yuǎn)的陣元對(duì)被測(cè)單元的耦合影響逐漸減弱，相隔一個(gè)以上單元位置的耦合影響可以忽略不計(jì)?？偟膩?lái)說(shuō)，軸向的耦合影響使被測(cè)單元增益降低了約2dB。