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，因此全波仿真结果与公式估算的结果有一定差异.1357911132520151050频率/GHzS11/dB不加 T 形耦合金属壁加 T 形耦合金属壁fcmfcm图 2 T 形耦合金属壁对共模谐振的影响Fig.2 Effect of T-shaped metal wall on common moderesonance 共模谐振较为常见的处理方法之一是在偶极子臂的末端加短路结构，将谐振频率移到高频带外，但是该方法会导致低频的环模谐振往带内偏移14，影响到工作带宽.文献 15 中将紧耦合的偶极子天线单元的拓补结构等效为矩形波导，其共模谐振的频率与该等效波导的截止频率相对应，并提出了采用电容加载短路结构取代直接短路的方式.采用电容加载结构后，单元的拓补结构可等效为脊波导，其截止频率会降低，因此共模谐振的频率会随着电容加载短路结构的调节往低频带外偏移.本文中基于电容加载短路结构的设计思路，在相邻的紧耦合偶极子天线单元的中间位置加载了一个 T 形的金属壁，如图 1(b)所示.该 T 形结构的平顶部分与偶极子臂有重叠，可以增强单元之间的电容耦合，改善低频段的驻波匹配；同时，T 形金属壁形成电容耦合短路结构，可以将共模谐振频率移到低频带外.如图 2 所示，加载 T 形金属壁后，共模谐振频率从 8 GHz 移到1.9 GHz，并且 2 GHz 频点附近的驻波匹配明显改善.1.2 宽带宽角扫描阻抗匹配超宽带阵列天线要实现良好的电性能，不仅需要解决带内谐振奇点，还需要在较宽的工作频段内实现良好的阻抗匹配.传统的阻抗匹配方法是采用一定厚度的介质匹配层，通过优化介质匹配层的厚度、相对介电常数实现从天线到自由空间波阻抗的匹配过渡.采用介质匹配层的缺点是其比较厚重，尤其对频段较低的天线.随着紧耦合超宽带阵列天线技术的快速发展，FSS 匹配层技术被运用到天线单元的优化设计中，并被证明具有良好的宽带宽角扫描阻抗匹配能力.相比于传统的介质匹配层，FSS 阻抗匹配层只需要很薄的介质基底，在重量上大大减轻，有利于超宽带阵列天线的轻量化设计.本文采用寄生偶极子层与 FSS 阻抗匹配层相结合的方式，实现超宽带阻抗匹配.基于微带贴片层叠天线的设计思路16，将寄生偶极子作为超宽带阵列天线单元的匹配层，通过在天线单元上方设置寄生贴片，通过耦合谐振会产生新的谐振点，可有效拓展天线的带宽.图 3 所示为天线单元的阻抗匹配过程，其中：天线 I 为无任何阻抗匹配层的单元模型；天线II 为加载寄生偶极子层的单元模型；天线 III 为同时加载寄生偶极子层和 FSS 匹配层的单元模型.图 4为寄生偶极子及 FSS 匹配层对天线单元输入阻抗的影响，图 4(a)中不加匹配层的单元模型在 4 GHz和 6 GHz 附近的实部较小，很难实现良好的阻抗匹配层；加载寄生偶极子匹配层，在 4 GHz 和 6 GHz 附近实部大小均有一定的提升，并且整个频段内的实部、虚部变化范围减小.在 11 GHz 频点附近，实部接近 50，虚部接近于 0，天线单元引入新的匹配谐振点，能大大改善高频段的阻抗匹配性能.通过优化寄生偶极子匹配层的高度可以进行谐振频率的设计，满足工作频段内驻波整体优化的需求.图 4(b)所示为在天线 II 的基础上加载 FSS 阻抗匹配层后的天线输入阻抗变化情况，大部分频段内实部更接近 50、虚部更接近于 0.图 5 所示为不同阻抗匹配层加载情况下天线单元的法向电压驻波比(voltage standingwave ratio,VSWR)结果，通过增加阻抗匹配层可以有效地改善天线单元的阻抗匹配，最终实现 212GHz 频段单元的法向 VSWR 小于 2.75.天线 I天线 II天线 III图 3 天线单元阻抗匹配层仿真模型Fig.3 The evolvement of the antenna matching layer 402电波科学学报第 38 卷246810129060300306090120150180频率/GHz输入阻抗/246810129060300306090120150180频率/GHz输入阻抗/Re:无阻抗匹配层Im:无阻抗匹配层Re:加寄生偶极子匹配层Im:加寄生偶极子匹配层(a)加寄生偶极子匹配层(a)With parasitic dipole matching layerRe:加寄生偶极子匹配层Im:加寄生偶极子匹配层Re:加寄生偶极子&FSS 匹配层Im:加寄生偶极子&FSS 匹配层(b)加寄生偶极子和 FSS 匹配层(b)With parasitic dipole matching layerand FSS matching layer 图 4 寄生偶极子及 FSS 匹配层对天线单元输入阻抗的影响Fig.4 The input impedance of antenna element with parasiticdipole matching layer and FSS matching layer 24681012123456VSWR频率/GHz无寄生偶极子&FSS 匹配层加载寄生偶极子匹配层加载寄生偶极子&FSS 匹配层图 5 不同匹配层情况下单元法向 VSWR 结果Fig.5 Broadside VSWR results of the antenna element withdifferent matching layers 1.3 天线单元优化仿真结果图 6 所示为优化后的天线单元模型及其参数取值结果，由金属地板、微带渐变线巴伦、T 形金属壁、紧耦合偶极子辐射层、寄生偶极子匹配层、FFS匹配层组成，单元的整体剖面高度为 14.2 mm，小于最低频 2 GHz 的十分之一波长.图 7 所示为天线单元不同扫描角度的 VSWR 仿真结果，经过优化设计该单元在 E 面能实现60扫描，满足 VSWR3；在H 面能实现45扫描，满足 VSWR3.5.Dy=11.5Dx=11.5金属地板渐变线巴伦T 形金属壁偶极子辐射层寄生偶极子匹配层FSS 匹配层8.73.252.251.51.5551.40.90.68.19450.451.60.4图 6 天线单元模型及参数(单位：mm)Fig.6 Antenna element model and parameters(unit:mm)2468101212345VSWR频率/GHz24681012频率/GHzE 面 15扫描法向E 面 30扫描E 面 45扫描E 面 60扫描(a)E 面扫描(a)E-plane scanning12345VSWRH 面 15扫描H 面 30扫描H 面 45扫描(b)H 面扫描(b)H-plane scanning图 7 天线单元的 VSWR 仿真结果Fig.7 Simulated VSWR of the antenna element 表 1 所示为本文设计天线与国内外相关文献结果对比.结合国内外关于紧耦合阵列天线研究成果，从工作带宽、扫描角度、剖面高度、是否具有轻量化特性几个维度进行对比.在工作带宽、扫描角度相当的情况下，本文所设计的紧耦合超宽带阵列天线在剖面高度、轻量化设计方面具有一定的优势.第 3 期邹文慢，等：低剖面紧耦合超宽带阵列天线设计403 表 1 国内外文献结果对比Tab.1 Result comparison among literatures and this paper文献工作带宽扫描角度剖面高度轻量化设计37.351VSWR2.65E：45H：450.104L否66.11VSWR3.2E：75H：600.12L是851VSWR3E：60H：600.13L是1561VSWR3.8E：60H：600.1L否本文61VSWR3.5E：60H：450.095L是 2 原理样机研制为验证所设计的超宽带紧耦合阵列天线的电性能，研制了规模大小为 1616 的原理样机，实物图如图 8 所示.原理样机的微带基板之间的空气层采用泡沫填充，考虑装配误差后，阵列的整体剖面高度不超 过 15 mm.图 9 所 示 为 阵 列 中 心 单 元 的 有 源VSWR 测试结果，测试的单元有源 VSWR 与单元的仿真结果趋势上基本吻合，大部分频段内满足有缘VSWR3；对于 E 面 60扫描、H 面 45扫描情况下部分频段的有源 VSWR3，相较于仿真结果有一定的恶化.恶化主要原因是由于偶极子辐射层与 T 形金属壁之间缝隙误差、巴伦与金属地板之间的接地焊接等装配因素的影响.本文中的原理样机方向图采用平面近场测试.图 10 所示为 4 GHz 和 12 GHz 两个频点的扫描方向图测试结果，阵列样机的波束指向具备 E 面60、H 面45的扫描能力，与阵列的设计基本吻合.由于阵列方向图采用的是平面近场测试，受采样面大小的影响，方向图在远区副瓣时与实际结果会有较小的差异.图 8 原理样机实物图Fig.8 Antenna array prototype 2468101212345678VSWR频率/GHz法向E 面 30扫描E 面 45扫描E 面 60扫描H 面 30扫描H 面 45扫描图 9 阵列中心单元的有源 VSWR 测试结果Fig.9 Measured active VSWR of the array central element 9060300306090302520151050增益/dB角度/()9060300306090302520151050增益/dB角度/()法向E 面 45扫描E 面 60扫描法向H 面 45扫描(a)4 GHz9060300306090302520151050增益/dB角度/()9060300306090302520151050增益/dB角度/()法向E 面 45扫描E 面 60扫描法向H 面 45扫描(b)12 GHz图 10 不同频点方向图测试结果Fig.10 Measured results of radiation pattern at different frequencies 404电波科学学报第 38 卷 3 结论本文针对多功能、一体化电子信息装备的应用需求，开展了一种基于紧耦合偶极子天线单元的超宽带阵列天线的研究与设计，该天线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，具有轻量化、低剖面的特性.以后将从大单元间距设计、新构型、边缘效应等方面加以研究来进一步实现超宽带阵列天线的成本、低剖面、高效率.参考文献 WHEELER H.Simple relations derived from a phased-array antenna made of an infinite current sheetJ.IEEEtransactions on antennas and propagation，1965，13（4）：506-514.1 MUNK B,TAYLOR R,DURHARN T,et al.A low-profile broadband phased array antennaC/IEEE Anten-nas and Propagation Society International Symposium,Columbus,2003.2 DOANE J P,SERTEL K,VOLAKIS J L.A wideband,wide scanning tightly 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antennas&propagation，2013，61（9）：4538-4548.10 DOANE J P.A 6.3:1 bandwidth scanning tightly coupleddipole array with co-designed compact BalunC/IEEE In-ternational Symposium on Antennas and propagation,2012.11 HOLLAND S S.The planar ultrawideband modular an-tenna(PUMA)arrayJ.IEEE transactions on antennas&propagation，2012，60（1）：130-140.12 许峰凯,肖绍球,胡芯瑞.基于频率选择表面的宽角扫描阵列J.电波科学学报，2018，33（3）：301-310.XU F K,XIAO S Q,HU X R.Wide-angle scanning arraybased on frequency selective surfaceJ.Chinese journal ofradio science，2018，33（3）：301-310.（in Chinese）13 胡志慧,姜永华,凌祥.基于电阻型频率选择表面的超宽带紧耦合阵列J.电波科学学报，2013，28（6）：1139-1146.HU Z H,JIANG Y H,LING X.Ultra-wideband tightly14coupled array with resistive frequency selective surfaceJ.Chinese journal of radio science，2013，28（6）：1139-1146.（in Chinese）李征帆.微带电路M.北京:清华大学出版社,2017:236-242.15作者简介周承冕（1998），男，湖南人，国防科技大学电子科学学院硕士生，研究方向为电磁场与电磁波、新型天线技术.E-mail:岳家璇（1998），男，湖南人，国防科技大学电子科学学院硕士生，研究方向为电磁场与电磁波、新型天线技术.E-mail:柴舜连（1969），男，湖北人，国防科技大学电子科学学院教授，博士，主要研究方向为电磁场理论与高效数值技术、天线理论与技术、毫米波电路与系统.E-mail: 406电波科学学报第 38 卷