一种宽频带低副瓣阵列天线的工程应用研究

2013-06-10屈天莹夏冬玉

中国电子科学研究院学报 2013年1期

屈天莹，夏冬玉

(北京2861 信箱，北京 100085)

0 引言

阵列天线可实现高增益且方向图可控性好，可以通过精确控制阵列激励，产生极低副瓣的方向图或产生非常接近于选定形状的方向图［1］，已广泛应用于通信、雷达和电子对抗等无线电系统中［2，3］。然而受到辐射单元自身带宽、排列间距及互耦等因素的限制，阵列天线尤其是满足低副瓣特征的阵列天线的工作带宽受到限制。为适应现代电子技术的飞速发展，宽频带低副瓣阵列天线研制越来越受到关注并取得很多成果。副瓣电平低于－40 dB ～－50 dB的超低副瓣天线的相对工作带宽可达到10%［4］，副瓣电平低于－37 dB 的相对工作带宽达到25%［5］。

在某通信系统工程中需要设计一种宽频带低副瓣天线，垂直线极化工作，在相对工作带宽为47.62%的频带内阻抗匹配良好，水平面主波束宽度为30°，增益15 ～17 dBi 以上，且副瓣电平低于－20 dB。

平板反射器阵列天线是一种结构简单、制造方便、工程实用价值很大的定向天线。文献［6］采用等幅同相馈电和互耦抑制等技术实现了宽频带高增益平板反射器阵列天线研制，VSWR 小于1.5 的相对工作带宽达到66.67%，由于是均匀馈电且单元间距较大，使得副瓣电平较高，特别是E 面方向图副瓣电平接近－10 dB，无法满足低副瓣的要求。

根据某通信系统工程设计要求，研制了一种宽频带低副瓣的平板反射器阵列天线。该天线由4 ×3 个宽带振子单元组成，横向子阵和纵向子阵分别采用1 ∶2 ∶1 和1 ∶2 ∶2 ∶1 不等幅功率分配器馈电，频带内阻抗匹配良好，电压驻波比小于2，增益可达15 ～17 dBi 以上，副瓣电平低于－20 dB，相对工作带宽达到51.16%以上，达到工程设计要求并在实际应用中发挥了重要作用。

1 理论分析与设计

1.1 阵单元数及排列的确定

为满足高增益和宽频带天线要求，选用由宽频带半波偶极子组成的平面阵列，如图1 所示。

图1 平面阵列示意图

该阵列由沿x 轴方向排列的N 个偶极子和沿z方向排列的M 个偶极子组成，共有M ×N 个单元。设mn 号单元的激励电流为Imnexp(jφmn)，方向图函数为fmn(θ，φ)，则阵列的方向图函数为

以中心频率为设计参考，水平单元间距半波长、垂直单元间距0. 6 波长(为使相邻单元不发生接触，间距应大于半波长)，当最大辐射方向为θ=φ=90°，各单元等幅同相馈电时，可由式(1)计算出阵列天线的方向图和增益。水平排列和平面排列时天线的波束宽度和增益变化情况如图2 所示，可以看出，水平单元数大于3 时，半功率波束宽度小于30°，单元数大于3 ×3 时，增益大于16 dBi。考虑到在满足指标情况下尽量减小天线的体积，最终选择水平排3 个单元，间距半波长，垂直排4 个单元，间距0.72 波长。

图2 不同排列情况下天线电参数

1.2 辐射单元设计

文献［7］研究了增大振子直径对带宽的影响，适当增加振子直径可以有效拓展天线的工作带宽。据此，采用具有较大直径的振子作为阵列单元，其结构如图3 所示，其中，振子为中空的铝质圆柱，宽带自平衡巴伦同轴馈电，馈电口与反射板平行，便于连接功率分配器。天线振子的直径为40 mm，振子长度为130 mm，计算和实测电压驻波比曲线，如图4 所示。

从图中可以看出，在f0－ 275 MHz ～f0+ 275 MHz 的宽频带范围内，单元天线的驻波比小于2，且计算结果和实测结果基本吻合。

1.3 阵列设计

采用以上设计的单元天线及分析结果进行排阵，阵列结构如图5 所示。

图5 阵列天线结构示意图

图5 中在水平方向等间距排列3 个单元，垂直方向等间距排列4 个单元，通过一个一分四功率分配器与三个一分三的功率分配器串接而成，分别对各单元天线馈电。

为降低天线的副瓣电平，根据Schelkunoff 低副瓣原理，使各排、各列的单元天线成三角形馈电，几种不同比例幅度馈电时，天线E 面方向图如图6 所示。从图中可以看出，当采用1 ∶1 ∶1 ∶1 幅度比(等幅)馈电时，天线的副瓣电平最高，采用1 ∶2 ∶2 ∶1 的比例馈电时，天线的副瓣电平最低。

图6 不同幅度比馈电时天线E 面方向图

1.4 功率分配器设计

为实现低副瓣所需的三角馈电，设计了两种功率分配器。一种是一分四功率分配器，如图5 所示，该功率分配器可以看作一个一分三等分功率的功率分配器串接一个一分二的功率分配器而成，所得各输出口的幅度比为2 ∶2 ∶1 ∶1;另一种是一分三不等分功率分配器，其各输出口的幅度比为1 ∶1 ∶2。按照图5 所示的结构将功率分配器进行连接，使一分四功率分配器幅度高的输出口连接为中间两排阵列馈电的一分三功率分配器的输入口，幅度低的则连接最外侧两排一分三功率分配器的输入口。这样就获得了水平面1 ∶2 ∶1、垂直面1 ∶2 ∶2 ∶1 的面振子馈电分布。