低剖面紧耦合超宽带阵列天线设计.pdf

邹文慢，方佳，张小林，等.低剖面紧耦合超宽带阵列天线设计J.电波科学学报，2023，38（3）：400-406.DOI:10.12265/j.cjors.2022189ZOU W M,FANG J,ZHANG X L,et al.Design of low-profile tightly coupled dipole array antennaJ.Chinese journal of radio science，2023，38（3）：400-406.（in Chinese）.DOI:10.12265/j.cjors.2022189低剖面紧耦合超宽带阵列天线设计邹文慢1，2*方佳1，2张小林1，2金谋平1，2刘颂阳1，2（1.中国电子科技集团公司第三十八研究所,合肥 230088；2.安徽省天线与微波工程实验室,合肥 230088）摘要 随着多功能、一体化电子信息装备的快速发展，对超宽带阵列天线的需求也愈加迫切.机载、舰载等平台对载荷的重量、尺寸等往往有较为严格的限制，低剖面、轻量化超宽带相控阵天线的设计可以有效解决平台限制与多功能需求之间的矛盾.本文提出了一种基于紧耦合偶极子天线单元的低剖面、轻量化超宽带阵列天线设计方案，该天线采用寄生偶极子匹配层和频率选择表面（frequency selective surface,FSS）匹配层代替传统的介质宽角阻抗匹配层，在实现宽角扫描的同时还能有效减小天线重量.通过电磁仿真优化，该阵列天线单元可以实现 61 的工作带宽，剖面高度小于低频的十分之一波长；E 面60扫描满足电压驻波比（voltage standing waveratio，VSWR）3，H 面45扫描满足 VSWR3.5.为了验证所设计阵列天线的性能，加工了规模大小为1616 的原理样机进行实测，测量结果与仿真结果基本吻合.关键词低剖面；轻量化；紧耦合偶极子；寄生偶极子匹配层；频率选择表面(FSS)匹配层中图分类号TN821.1文献标志码A文章编号1005-0388（2023）03-0400-07DOI 10.12265/j.cjors.2022189Design of low-profile tightly coupled dipole array antennaZOU Wenman1,2*FANG Jia1,2ZHANG Xiaolin1,2JIN Mouping1,2LIU Songyang1,2（1.The 38th Research Institute of China Electronic Technology Group Corporation,Hefei 230088,China；2.Anhui ProvinceEngineering Laboratory for Antennas and Microwave,Hefei 230088,China）AbstractWith the rapid development of multi-functional and integrated electronic information equipment,thedemand for ultra wideband array antenna is becoming more and more urgent.However,airborne and ship borneplatforms often have strict restrictions on the weight and size of the load.The design of low profile,lightweight ultrawideband phased array antenna can effectively solve the contradiction between platform constraints and multi-functional requirements.In this paper,a low-profile,light weight ultra wideband array antenna design scheme based ontightly coupled dipole antenna element is proposed.The antenna uses parasitic dipole matching layer and frequencyselective surface(FSS)matching layer to replace the traditional dielectric wide-angle impedance matching layer,whichcan effectively reduce the antenna weight while realizing wide-angle scanning.Moreover,the antenna profile is reducedto be less than one tenth of the wavelength of lowest frequency and the simulation results show that the array antennaelement can achieve 6:1 operating bandwidth.It can achieve 60 scanning in E-plane with voltage standing wave ratio(VSWR)3 and 45 in H-plane with VSWR3.5.A prototype of 1616 is fabricated and the experimental results arein good agreement with the simulation results,showing the feasibility and effectiveness of the designed low-profiletightly coupled dipole array antenna.Keywordslow-profile；light weight；tightly coupled dipole array；parasitic dipole matching layer；frequencyselective surface(FSS)matching layer 收稿日期：2022-08-30通信作者：邹文慢 E-mail: 第 38 卷第 3 期电波科学学报Vol.38，No.32023 年 6 月CHINESE JOURNAL OF RADIO SCIENCEJune，2023 引言现代雷达系统、通信系统发展快速，但在系统架构组成上天线、收发、信号处理等方面往往有较大重叠，多功能、一体化是未来电子信息系统的发展趋势.超宽带阵列天线的研究和发展，可以很好地满足多功能、一体化电子信息系统的应用需求.对于机载、舰载等空间受限的载体平台，对超宽带阵列天线提出了低剖面、轻量化等更为严苛的设计要求.由于超宽带阵列天线的应用广泛，国内外对超宽带阵列天线开展了大量的研究.早在 1965 年Wheeler 就提出了一种连续电流片阵列天线的概念1，使用紧密排布的电小偶极子作为阵列的基本单元，可以实现连续且均匀的电流分布.2003 年，Munk教授等人采用紧耦合偶极子单元验证了这种超宽带阵列天线的设计思想2.由于紧耦合偶极子天线单元具有低剖面、高集成设计等优点，成为近些年来的研究热门.紧耦合超宽带阵列天线的技术也向着更加集成化、轻量化的方向发展.2013 年，Volakis 教授团队报道了一种将馈电巴伦和竖直型偶极子单元一体化集成设计的紧耦合偶极子阵列天线3，采用双层微带板实现了天线单元与馈电结构的高度集成，但是其宽角扫描阻抗匹配层采用了常规的介质匹配层4-5，在厚度及重量上处于明显劣势.2017 年 Volakis 教授团队将该集成化的天线进一步改进，采用垂直结构的频率选择表面(frequency selective surface,FSS)匹配层代替传统的介质匹配层6-7，并实现了良好的宽角扫描特性，实现馈电结构与天线单元一体化设计的同时还具有轻量化的特性.基于 FSS 匹配层的超宽带阵列天线得到了广泛的研究8-11，但该类型的天线单元设计剖面高度相对较高，较难实现超低剖面设计.另外一类典型的紧耦合超宽带阵列天线是由Vouvakis 团队 2010 年提出的平面超宽带模块化天线阵(planar ultra-wideband modular antenna,PUMA)12-13，整个天线阵列采用微带多层板结构实现，结构上高度集成，并且剖面很低.但 PUMA 阵列天线受 PCB加工工艺的限制，不适用于较厚的低频阵列.本文针对多功能、一体化电子信息装备的应用需求，开展具有低剖面、轻量化的超宽带阵列天线研究与设计，采用寄生偶极子匹配层和 FSS 匹配层代替传统的介质宽角阻抗匹配层，在 61 的带宽内实现了 E 面60扫描、H 面45扫描，剖面高度小于低频的十分之一波长.1 天线单元的设计本文的阵列天线采用紧耦合偶极子单元，单极化，工作频段为 212 GHz.对于紧耦合的超宽带阵列天线的优化设计，需要解决两个关键问题：带内谐振奇点的抑制、宽带宽角扫描的阻抗匹配.针对上述两个问题，本文结合天线单元的优化设计过程进行简要的分析说明.1.1 谐振奇点抑制基于紧耦合偶极子天线单元的超宽带阵列，其单元结构引起的谐振奇点主要包括共模谐振和环模谐振两种13.共模谐振主要是因为不平衡馈电结构引起.当天线单元的馈电巴伦处于不平衡状态，其不平衡馈电巴伦上会同时存在差模信号和共模信号.当天线结构在特定的频点引起共模谐振时，共模信号会远远强于差模信号，天线单元工作于共模信号工作状态，偶极子的两个臂电流呈等幅反相分布，天线无法正常工作.环模谐振通常来自于天线内部结构形成的电流环路谐振，当谐振频率出现在目标工作频带内时影响到天线的有效工作带宽.单极化的紧耦合偶极子天线单元，共模谐振主要跟阵列单元E 面、H 面及 D 面的馈电端口位置之间的距离直接相关，在单元间距小于高频半波长的情况下 E 面、H 面馈电端口的距离引起的共模谐振通常出现在高频带外，D 面的馈电端口之间的距离引起的共模谐振通常会出现在工作频段内.环模谐振与偶极子、相邻单元的馈电巴伦构成的电流路径相关，该电流路径与金属地板形成的镜像电流构成完整的电流回路，环模谐振通常出现在工作频段的低频段.图 1(a)所示为本文中设计的天线单元原始模型，根据该天线单元的基本尺寸，其结构产生的共模谐振、环模谐振的谐振频率 fcm、floop可以采用以下计算公式进行估算13：fcmc02rD2x+D2y,（1）floop=c02r(4H+2Dx)|f(C)|.（2）H=8.7Dx=11.5Dy=11.5T 形耦合金属壁Dy=11.5Dx=11.5H=8.7(a)原始模型(a)Original model(b)加 T 形耦合金属壁(b)With T-shaped metal wall图 1 天线单元模型(单位：mm)Fig.1 Schematic of antenna element(Unit:mm)第 3 期邹文慢，等：低剖面紧耦合超宽带阵列天线设计401 式中：c0为自由空间的光速；r为相对介电常数；Dx、Dy为单元间距；H 为偶极子单元距离金属地板的高度；f(C)为单元间内部耦合的修正因子.根据原始单元模型的尺寸估算，共模谐振频率在 9.2 GHz 左右，环模谐振频率在 2.6 GHz 左右.图 2所示为加 T 形耦合金属壁前后的全波仿真结果.可以看出，加 T 形耦合金属壁前共模谐振频率在 8GHz 左右，低频段的环模谐振出现在低于 2 GHz 的工作带外.仿真计算时未考虑微带板以及结构耦合的影响，因此全波仿真结果