S波段宽带低交叉极化印刷偶极子阵列天线的设计

第23卷　第2期电　波　科　学　学　报Vol. 23,No. 22008年4月　　　　　　　　　　　　CHINESE JOURNAL OF RADIO SCIENCE 　　　　　　　　April ,2008　　　　　文章编号　100520388(2008) 0220280204

S 波段宽带低交叉极化印刷偶极子

阵列天线的设计

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周占伟1,2　杨仕文1☆　聂在平1

(1. 电子科技大学电子工程学院, 四川成都610054; 2. 中国航空无线电电子研究所, 上海200233)

摘　要　设计出一种新型宽带低交叉极化印刷偶极子天线, 该天线采用双层平面

Balun 偶极子结构, 不仅具有平面Balun 偶极子的宽频带特性, 同时也降低了天线交叉极化电平。使用该天线单元设计制作S 波段16元线阵。测试结果表明, 阵列天线工作带宽达到50%, 交叉极化电平小于-43dB 。实验结果验证了该天线阵的宽带低交叉极化特性。关键词　印刷偶极子; 宽带; 低交叉极化; 阵列天线中图分类号　O441　　　　文献标志码　A

Design of an S 2band 1,2Shi 2w en 1　NIE Z ai 2ping 1

(of Engineering , Universit y of Elect ronic Techno log y of China , Cheng du S ichuan 610054, China.

A eronautic R adio Elect ronics I nstitute , S hanghai 200233, China. )

Abstract 　A novel broadband p rinted dipole antenna wit h low cro ss 2polarizatio n is p ropo sed in t his paper. The antenna employs a double 2layered p rinted dipole wit h integrated balun st ruct ure , which retains t he broadband characteristics while reduc 2ing t he cro ss 2polarization level. An S 2band 162element printed dipole array antenna is t hen formed , and t he measured result s indicate t hat t he bandwidt h of t he array is up to 50%, while t he cross 2polarization level is less t han -43dB. Measurement re 2sult s verified t he broadband and low cross 2polarization p roperties of t he antenna ar 2ray.

K ey w ords 　printed dipole ; broadband ; low cro ss 2polarization ; array antenna

1　引言

随着电子对抗技术的发展, 相控阵雷达已成为

现代雷达装备的主流。为有效对付严重电子干扰和ARM (反雷达导弹) , 通常采取降低天线副瓣电平和增加天线工作带宽的方法, 来提高相控阵雷达抗干

扰性能。因此设计天线单元不仅要具有宽频带特性同时必需为低交叉极化天线, 否则严重的交叉极化将使主极化的低副瓣本身失去意义。

印刷偶极子天线由于具有剖面薄、重量轻、体积小、成本低、便于集成和组成阵列等优点而得到广泛的应用[1,2]。频带窄是普通印刷偶极子天线的主要

收稿日期:2007202215. 　　　　基金项目:国家自然科学基金资助项目(60571023) ; 教育部新世纪优秀人才支持计划(NCET 20620809) ; 电子科技大学创新团队支持计划　　☆E 2mail :[email protected]. cn 280

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第2期　　　　　　　　　周占伟等:S波段宽带低交叉极化印刷偶极子阵列天线的设计缺点, 目前已有许多途径来展宽这类天线的频带, 如双面偶极子天线[3], 平面Balun 偶极子天线[4]等。这些天线虽然频带性能好, 但其交叉极化特性一般均较差, 从而限制了其应用范围。

本文提出了一种新型宽带低交叉极化印刷偶极子天线。该天线采用双层平面Balun 偶极子结构, 不仅具有平面Balun 偶极子天线的宽频带特性, 同时也降低了天线交叉极化电平。使用该双层平面Balun 偶极子天线单元设计制作了S 波段16元偶

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　　为减小平面Balun 偶极子天线横向交叉极化的电场分量, 另增加一层介质板, 采用两个完全相同的平面Balun 偶极子天线平行合并在一起, 使二者共用馈电微带线, 形成带状线Balun , 如图1(b ) 右中所示。这样使横向交叉极化的电场分量相互抵消, 从而降低了天线的交叉极化特性。相应的实验测试结果验证了以上理论分析的正确性。

3　阵元数值仿真与测试结果

利用电磁仿真软件H FSS 优化设计出中心频率为3. 25GHz 的双层平面Balun 偶极子天线, 并根据仿真优化结果制作了试验模型。天线单元选用介质材料N Y9220, 其相对介电常数为εr =2. 2, 介质板的厚度为d =0. 7874mm , 接地板采用金属铝板, 尺寸为240mm ×240mm ×4mm 。天线基本参数优化结果为, L =36. 4mm , 宽度=h =13. 5mm , 宽=1; 极子线阵。测试结果表明, 该天线阵具有宽带低交叉极化特性, 阵列天线工作带宽达到50%, 交叉极化电平小于-43dB , 实测增益达16. 5dBi 。

2　阵元结构

普通单层平面Balun 偶极子天线结构如图1(a ) 所示, 新型双层平面Balun 偶极子天线结构如图1(b ) 所示。由两图对比可以看出, 新型偶极子天线主要应用双层介质由两个相同的平面Balun 偶极子天线组成。在图1(a ) 中, 与偶极子振子臂同一侧的槽线和另一侧的微带线形成Balun , 到偶极子两辐射臂的不平衡4利, 使其单向辐射, Balun 偶极子天线具有宽频带特性, 但如图1(a ) 右所示, 由于横向交叉极化的电场分量垂直于偶极子辐射臂, 从而产生严重的交叉极化

。

Bal 2偶极子、双层平面Balun 偶极子的仿真结果以及双层平面Balun 偶极子天线的实测反射系数S 11。图中表明双层偶极子天线回波损耗小于-10dB 的频率范围为2. 6～4. 3GHz , 工作带宽达到50%, 而单层平面Balun 偶极子天线的带宽仅为28%。可见, 双层平面Balun 偶极子天线的带宽增加约20%以上

。

图2　偶极子天线单元的回波损耗

图3、图4分别为双层平面Balun 偶极子天线

仿真和实测方向图。通过比较可以看出, 实际测试得到的E 面和H 面主极化方向图和仿真得到的方向图基本一致, E 面主瓣宽度约为60°, H 面约为

图1

100°。但交叉极化电平仿真和测试结果却有所偏

差, 仿真结果交叉极化电平小于-42dB , 而测试结

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线具有很宽的工作频带

。

第23卷

果交叉极化电平仅小于-31dB 。这主要是由于所

使用较为简易的微波暗室测试环境影响所致。实测时, 由于被测天线在测试转台上的架设误差以及实测时天线背面一些支撑机械结构的影响, 加之对于如此低交叉极化分量的测试时微波暗室背景电平的影响, 使得图中交叉极化实测的数据结果与理论偏差较大

。

阵列天线方向图的测量, 采用了室外远场测量技术, 测试时的最小测试距离为d >2D 2/λ, 其中D 为待测天线的口径直径, d 为待测天线和辅助天线之间的距离λ, 为中心频率自由空间波长。计算可得最小测试距离为19m 。由于现有微波暗室不满足远场测试条件, 因此测试场地选在楼顶, 架高天线, 并在待测天线与辅助天线之间铺设吸波材料, 以减少干扰, 提高测量的准确程度。

图7中给出了在中心频率点3. 25GHz 处H 面主极化和交叉极化方向图。由图可知天线方向图的主瓣宽度约为10°, 第一副瓣电平小于-13. 5dB , 交叉极化电平小于-43dB 。可见,

经过组阵后的阵列

4　阵列天线

4. 1　阵列天线的构造

利用上述双层平面Balun 偶极子天线组成了S 波段16单元偶极子线阵。图5所示为该阵列天线的实物照片。接地板采用了金属铝板, 尺寸为930mm ×240mm ×4mm , 各单元平行放置, 且均

λ, λ垂直于金属板, 相邻天线单元的间距为d =0. 5为中心频率下自由空间波长。

4. 2　阵列天线的测试

阵列天线中各天线单元的反射系数S 11采用矢量网络分析仪进行测量, 单元1、3、5、7等四个偶极子在阵列环境中的回波损耗测量结果如图6所示。由图可以看出在2. 6～4. 3GHz 频带范围内回波损耗均小于-10dB , 带宽达到50%。可见该阵列天

图7　实测阵列天线H 面方向图

第2期　　　　　　　　　周占伟等:S波段宽带低交叉极化印刷偶极子阵列天线的设计天线具有很低的交叉极化分量。此外, 采用比较法测得该16元阵列天线增益为约16. 5dBi 。

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[3]　E Levine , S Shtrikman , and D Treves. Double 2sided

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5　结论

基于对单层平面Balun 偶极子天线结构的改进, 设计出了一种新型宽带低交叉极化印刷偶极子天线。该天线采用双层平面Balun 偶极子结构, 不仅具有平面Balun 偶极子的宽频带特性, 同时降低天线交叉极化电平。使用该天线单元设计制作S 波段16元偶极子线阵, 测试结果表明, 该阵列天线工作带宽达到50%, 交叉极化电平小于-43dB , 增益达16. 5dBi 。参考文献

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[11]　梁昌洪. [:周占伟　(1973-) , 男, 河南人,2007年获电子

科技大学电磁场与微波技术专业硕士学位, 现任职于中国航空无线电电子研究所。主要研究方向为天线、天线阵。

杨仕文　(1967-) , 男, 四川人, 博士, 电子科技大学电子工程学院微波工程系教授、博士生导师。IEEE 高级会员。发表学术论文60余篇。主要研究方向为天线、天线阵、计算电磁学等。

聂在平　(1946-) , , 电子科技大学博士生导师。发表、、M IMO 等。

版社,1985.

[12]　杨　娟, 张　玉, 梁昌洪. 线天线输入阻抗的变分原

理结合FD TD 求解[J].电波科学学报, 2003, 18

(1) :48252.

Yang J , Zhang Y , Liang C H. Simulating antenna in 2put impedance by applying variational principles in FD TD [J].Chinese Journal of Radio Science , 2003, 18(1) :48252.

　　张玉　(1978-) , 男, 安徽

人, 西安电子科技大学电子工程学院副教授, 主要从事电磁场数值计算、并行电磁计算、复杂系统天线间电磁兼容分析等方面工作。

　　赵勋旺　(1983-) , 男, 山西人, 现为西安电子科技大学电磁场与微波技术专业博士生, 主要从事电磁场数值计算, 复杂系统天线间电磁兼容分析等方面工作。

梁昌洪　(1943-) , 男, 上海人, 西安电子科技大学电子工程学院教授, 博士生导师, 曾任西安电子科技大学校长、中国电子学会会士、IEEE Senior member 。研究方向包括计算微波、微波网络理论、电磁散射与逆散射、电磁兼容等方面。