由正六边形复合空馈子阵组成的高增益宽频带印刷天线阵

 引言

作为印刷天线家族新成员的复合空馈阵(CAFA) 天线，将设计反射阵和传输阵时的相位补偿概念注入Fabry-Perot天线的设计中：通过在盖板和基板处各自独立地补偿反射相位，改建了口径场相位分布的均匀性。其最大优点在于避免了传统空馈反射阵或传输阵中馈源高耸的结构缺点，具有波长量级的低轮廓。然而，这也限制了CAFA的增益从而限制了其应用。作者曾尝试增加基板-盖板之间距以提高最高增益的方法，但由于增益和带宽之间固有的矛盾，当峰值增益提高约5 dB时，其公共频带变窄到不足2%. 本文采用先设计CAFA作为子阵单元，再由若干子阵组合成大型阵列天线的方案，在保有较宽频带的同时提高了增益。结构上采用正六边形轮廓的子阵设计，在其FSS盖板和AMC基板上也采用正六边形的网格布局;用七个正六边形的子阵组成蜂窝形的大阵;并且选用层叠式贴片辐射器作为馈源，借以改善波瓣图的对称性。经仿真分析和优选，设计出包含了子阵间馈电网络的大型CAFA天线，同时满足了高增益和宽频带的要求。其整体仿真/样品测试的性能达到：峰值增益22.87/22.51 dBi;电压驻波比≤2.0:1、增益跌落≤-3dB以及副瓣电平≤-15dB的公共频带达8.28/9.63%。其中副瓣电平是全方位、而不限于主平面的。

2 CAFA子阵单元的设计

CAFA子阵单元被设计成正六边形以便于按蜂窝状拼接成大阵。为了同时获得宽的阻抗频带与旋转对称的辐射波瓣图，CAFA子阵的馈源采用了层叠式贴片辐射器(图1)。为了将阻抗频带向低频端扩展以适应与增益频带的叠合，在位于基板中央、尺寸为(l f ´ w f)的下层矩形贴片上开了一条垂直于极化方向的窄缝，尺寸为(lS ´ wS)。为了增强波瓣图的旋转对称性，添加了一片尺寸为(lp ´ wp)的上层寄生贴片，其中心相对于下层贴片中心沿极化方向有doffset的偏移量。上层贴片的基板尺寸为(l up ´ w up)，与下层贴片间距hp，通过位于其两窄边下方的矩形塑料垫片支撑。馈点与下贴片边缘的距离为fy。

图1 CAFA子阵单元馈源的结构图

组装好的CAFA子阵单元(图2)包含馈源、基板和盖板。基板中央的馈电贴片周围围有AMC单元，它们是5圈周期皆为PAMC的、按正六边形轮廓排列的正方形贴片，每一圈的贴片边长相等但从内圈到外圈按{d j}递增。在FSS盖板的下表面，8圈周期皆为PFSS的正方形贴片单元、也按正六边形轮廓排列，每一圈的贴片边长相等但从内圈到外圈按{e i}递减。盖板和含接地板之基板都有边长为R的正六边形轮廓、厚度为h，基板-盖板相距hc，所有介质板材的相对介电常数皆为2.2。CAFA子阵单元的结构参数值归纳于表1。

(a)基板上表面的AMC与馈源

(b)盖板下表面的FSS

(c) 组装好的CAFA子阵单元前视图

图2 CAFA子阵单元的结构图 表1 CAFA子阵单元的结构尺寸(mm)

子阵单元轮廓

基板上的AMC

盖板上的FSS

馈电

贴片

寄生

贴片

R=45.0

PAMC=5.9

PFSS=5.3

lf=9.7

lp =9.1

h=1

d1,2,3=2.8

e1,2=4.8

wf=7.0

wp =8.0

hc=16.3

d4 =3.0

e3=4.7

fy=8.7

lup =11.1

hp=0.8

d5 =3.2

e4,5,6=4.6

dslot=3.2

wup =18.0

 

 

e7=4.5

ls=1.1

doffset=1.4

 

 

e8=4.3

ws=4.0

 

3 阵列天线的组装

此阵列天线(图3)包含按蜂窝型排列的7个相同的CAFA子阵单元(中间一个，周围六个)，其基板/盖板/寄生贴片都是分别加工后组装的。

(a) 阵列天线基板上的AMC和馈源

(b) 阵列天线盖板下表面的FSS

(c) 组装好的阵列天线

图3 不包含馈电网络的阵列天线原型

由于该阵列天线在CST2006B中过于庞大，直接通过扫描参数来寻找实现最宽公共频带的中间单元/周边单元馈电幅度比显然不切实际。改用波瓣图乘法定理作简化处理。由此得出的最佳馈电幅度比为0.42，该值成为馈电网络的设计目标。 馈电网络的设计

馈电网络含有6个Wilkinson功分器[(一个2:1功率分配，五个1:1等功率分配)。输入功率首先经过第一级功分器被等功率分配成两路相等的输出功率，其中一路直接馈给中间的子阵，而另一路在经过第二至第四级功分器后被均分成六份，分别馈给周边六个子阵。

通过在所需频带内的整体仿真的检验，各子阵输入端的电压比在0.488:1到0.357:1之间不等，与所要求比值的0.42:1存在为16.2%的幅度误差;并且各输入端的最大相位偏差为40.4o，基本实现了设计目标。

图4 馈电网络的仿真模型

5 仿真及测试结果

该天线的整体仿真/样品测试结果绘于图5和图6。图5中的公共频带BWcomm= 9.63/8.28 %内,电压驻波比≤2.0:1、增益跌落≤-3 dB、副瓣电平≤-15 dB;最高增益为Gpeak=22.87/22.51 dBi，对应了口径效率hpeak=37.7/34.7 %(详见表2)。图6示例10 GHz时一组典型的E面与H面波瓣图。以上结果证实了设计思路的合理性。

6 结论

本文设计的阵列天线可以同时获得高增益和宽频带，它包含7个按蜂窝形排列的正六边形CAFA子阵单元。从中间单元向周边单元的锥销幅度馈电减小了辐射波瓣图的副瓣电平，但付出了口径效率下降的代价。

图5 回波损失、增益及副瓣电平的频响曲线

表2 阵列天线原型的性能

性能

仿真

测试

Gpeak  (dBi)

22.87 (9.6 GHz)

22.51 (9.7 GHz)

hpeak (%)

37.7

34.7

BWcomm(GHz)

9.38~10.33

(9.63 %)

9.49~10.31

(8.28 %)

BWVSWR(GHz)

9.33~10.42

8.99~11.53

BWGain (GHz)

9.38~10.33

9.46~10.73

BWSLL (GHz)

9.36~10.48

9.49~10.31

HPBW (°)

8.1~8.5

8.4~8.8

SLL (dB)

-18

-15

X-PL (dB)

/

< - 30.0 dB

* HPBW-半功率主瓣宽度；X-PL-主瓣内交叉极化电平

图6 10 GHz时典型平面的辐射波瓣图