一種低剖面寬帶二維寬角掃描圓極化陣列天線.docxVIP

1、第32卷第6期電波科學(xué)學(xué)報(bào)Vol.32,No.62017年12月CHINESEJOURNALOFRADIOSCIENCEDecember,2017任杰，張麗娜，梁仙靈，等.一種低剖面寬帶二堆寬角打描|«極化陣列天線J.電波科學(xué)學(xué)報(bào),2017,32(6):694-701.1X)1：10.13443/j.cjors.2017092901RENJ,ZHANGLN,LJANGXL,ctal.Alowprofileandwidebandcircularly-polarizedarrayantennawith2Dwide-anglescanningJ.Chinesejournalofradios

2、cience,2017,32(6)：694-701.(inChinese).DOI<10.13443/j.cjors.2017092901一種低剖面寬帶二維寬角掃描圓極化陣列天線任杰，張麗娜之梁仙靈I耿軍平'朱衛(wèi)仁'金榮洪1(1.匕海交通大學(xué)電子工程系，上海200240；2.匕海航天電子通訊設(shè)備研究所，上海201109)摘要針對現(xiàn)有圓極化平面陣列的掃描角受限和三維寬角掃描陣列體積大的問題，設(shè)計(jì)了一種基于陣因子方向圖和單元因子方向圖互補(bǔ)的低剖面寬角掃描圓極化陣列天線.該陣列單元采用新型圓極化正交偶極子天線，并由其組成多個(gè)BJ環(huán)子陣，每一子陣內(nèi)單元的法向均偏離陣列法向一個(gè)固定

3、傾角并等間距排布在“漣漪”狀金屬地板上.這種陣列排布方式使得在主波束掃描至大角度時(shí)天線單元因子增益可以補(bǔ)償陣因子的增益下降.設(shè)計(jì)的一個(gè)64元陣列天線.的實(shí)測結(jié)果表明：在89GHz工作帶寬內(nèi)，且波束掃描覆蓋0°土62°,各陣元的有源駐波比均小于2.1,中心獨(dú)點(diǎn)掃描增益起伏小于1.71dB,掃描波束的BJ板化軸比小于2dB.關(guān)鍵詞寬帶；圓極化；二維寬角掃描；低剖面；增益起伏中圖分類號(hào)TN822+.8文獻(xiàn)標(biāo)志碼A文章編號(hào)1005-0388(2017)06-0694-08DOI10.13443/j.cjors.2017092901Alowprofileandwidebandcirc

4、ularly-polarizedarrayantennawith2Dwide-anglescanningRENJie1ZHANGLina2LIANGXianling1GENGJunping1ZHUWeiren'JINRonghong1(1.DepartmentofElectronicEngineeringShanghaiJiaoTongUniversity«Shanghai200240,China；2.ResearchInstituteofShanghaiAerospaceElectronicCommunicationEquipmenttShanghai201109,Chin

5、a)AbstractInordertoovercomescanninganglelimitationofplanararrayandbulkyvolumeofthree-dimensionalwide-anglescanningarray,weproposealowprofileripple-shapedwide-anglescanningcircularly-polarizedarraybasedonthecompensationmethodofarrayfactorpatternandelementfactorpattern.Thisarrayiscomposedofseveralring

6、subarrays,whichincludedifferentnumbersofnovelcircularly-polarizedcrosseddipoles,andtheelementnormalofeachringsubarraydeviatesfromarraynormalwithafixedangle.Theseringsubarraysarealignedonthesurfaceofaripple-shapedgroundplate.Basedonthisarraystructure,theelementgaincancompensatethearraygaindegradation

7、whenarraymain-beamsteerstoalargeangle.Anarraywith64elementsisdesignedandfabricated,andthemeasuredresultsshowthattheactivevoltagestandingwaveratio(VSWR)ofthearrayelementsarelessthan2.1,thescanninggainfluctuationofcenterfrequencyislessthan1.71dB,andtheaxialratio(AR)islessthan2dB,whentheoperationfreque

8、ncyrangeis89GHzandscanningangleisfrom0°to士62°.收稿日期:2017-0929資助項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金(61571298,61671416,61471240,61571289,51777168,61701303);上海市自然科學(xué)基金(17ZR14143OO),上海市浦江人才計(jì)劃(17PJ1404100)聯(lián)系人：梁仙靈E-mailtliangxl回Keywordswideband;circularlypolarized;2Dwide-anglescanning；lowprofile；gainfluctuation引言相控陣因可實(shí)現(xiàn)波

9、束指向的靈活性、快速捷變性，在通信、軍事等領(lǐng)域得到r廣泛的應(yīng)用.其中圓極化相控陣更是具有線極化相控陣所不具有的特點(diǎn)，如更大的天線放置取向自由度，可減小電磁波傳播過程中多徑效應(yīng)及電磁波穿過電離層時(shí)法拉第旋轉(zhuǎn)效應(yīng)帶來的損耗等，這些優(yōu)勢使得對圓極化相控陣的需求變得更為迫切.此外，為了獲得更大的空間掃描范圍，如何擴(kuò)展陣列天線的掃描角受到了越來越多的關(guān)注.然而，由于陣列波束在大角度掃描時(shí)，陣元之間互耦及傳統(tǒng)的平面陣列幾何結(jié)構(gòu)的限制給展寬陣列天線掃描角帶來了很大的挑戰(zhàn).一種常用的擴(kuò)展陣列波束掃描角的方法是利用寬波束天線單元技術(shù)：通過向天線單元加載高阻抗表面以習(xí)、像素塊狀寄生層及利用單元之間的強(qiáng)耦合來展寬陣

10、列單元波束寬度；使用新型磁電偶極子成及利用磁流源帶來的寬波束特性gj也可獲得寬波束單元；文獻(xiàn)8則利用人工磁導(dǎo)體結(jié)合鏡像理論展寬陣元波束寬度.以上這些實(shí)現(xiàn)方式均基于寬波束陣列單元及較窄的單元間距來達(dá)到陣列寬掃描角的目的.但是，由于單元所占面積及陣元間距的限制，采用該方式的陣列均適合在一維方向e實(shí)現(xiàn)較大的掃描角且多為線極化.而旦陣元之間過小的間距及天線單元的寬波束特性會(huì)使得陣元之間的互耦增強(qiáng)，從而使得陣列的端口阻抗匹配變得困難.解決這一問題的方法是利用去耕網(wǎng)絡(luò)心'。，但是這種去制網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)和調(diào)試復(fù)雜，對于大型陣列增加了設(shè)計(jì)周期和制造成本.另一種實(shí)現(xiàn)方式是共形天線，共形陣列天線m可實(shí)現(xiàn)很寬范圍

11、的波束覆蓋及更平坦的增益滾降.文獻(xiàn)口1利用由7個(gè)六邊形子陣結(jié)合各自的波束成形網(wǎng)絡(luò)組成的截頂角錐形陣列天線，實(shí)現(xiàn)了波束覆蓋96%的半球空間，且增益大于11.5dBi.文獻(xiàn)12在保持主波束增益起伏小于3dB的前提下，利用一種三面的共形陣列天線，實(shí)現(xiàn)了一維方向上閱極化波束覆蓋±69°.傳統(tǒng)的寬角掃描共形陣列天線往往由于體積過大，剖面過高限制了其應(yīng)用場合.針對上述問題，本文設(shè)計(jì)了一種寬帶圓極化低剖面陣列天線，該天線具有二維寬角掃描的能力.1圓極化陣列單元設(shè)計(jì)二維寬帶寬角掃描圓極化陣列的一個(gè)關(guān)鍵部分是其單元圓極化的寬波束、恒波束性能，即要求天線單元在工作頻率范圍內(nèi)波束寬度盡可能寬且方

12、向圖和軸比性能受頻率變化影響小，以使得陣列天線在頻帶范圍內(nèi)具有穩(wěn)定的寬角掃描能力.現(xiàn)有一般的圓極化單元，如微帶天線、正交帶線偶極子天線田等，由于兩個(gè)主面波束寬度的不同，導(dǎo)致單元圓極化波束寬度受限且在兩個(gè)維度方向的不均勻.基于以上考慮，本文首先設(shè)計(jì)了一種低剖面圓極化陣列單元，其具有近似恒定波束寬度及旋轉(zhuǎn)對稱波束.圓極化單元結(jié)構(gòu)如圖1所示.該單元輻射部分采用四個(gè)呈連續(xù)旋轉(zhuǎn)的C型振子組成，并兩兩一組與一對長度約Ao/4（Ao為中心頻率所對應(yīng)的自由空間波長）的環(huán)形帶線相連接，分布在介質(zhì)板的E下表面.介質(zhì)板障度為心=0.508mm,相對介電常數(shù)為4.5.該單元采用同軸線進(jìn)行激勵(lì)，其中同軸線的外導(dǎo)體連接介

13、質(zhì)板下表面的環(huán)形帶線，而同軸線的內(nèi)導(dǎo)體連接介質(zhì)板上表面的環(huán)形帶線.由于同軸線的內(nèi)外導(dǎo)體電流具有180°的相位差，再各自經(jīng)過兩條長度約Ao/4的環(huán)狀帶線，使得四個(gè)C型振子獲得0。，90°,180°,270。的連續(xù)旋轉(zhuǎn)相位差，產(chǎn)生了右旋圓極化特性.為減少背向輻射，提高天線增益，將輻射單元置于一個(gè)深度人=9mm,厚度£=2mm的金屬腔上.此外，利用C型振子可以使每個(gè)振子獲得近似旋轉(zhuǎn)對稱的E面和H面方向圖，從而使由其組成的正交偶極子單元方向圖對稱.通過仿真優(yōu)化設(shè)計(jì)得到單元的關(guān)鍵參數(shù)為：W=23mm,W|=0.2mm»W2=0.2mm,Li=1.62mm

14、,L2=0.9mm,d=l.35mm,R=l.4mm,W=0.2mm.ymis底朕（a）正視圖<b）側(cè)面剖視圖圖I陣元結(jié)構(gòu)示意圖圖2給出了陣列單元的端1駐波比.該單元在89GHz（相對工作帶寬為11.7%）內(nèi)的端口仿點(diǎn)駐波比小于1.35.艮好的端口阻抗匹配將有助于提高陣列的饋電效率.圖3和圖4給出了該單元在8、8.5、9GHz三個(gè)主要頻點(diǎn)的主平面（.xoz/yoz平面）輻射方向圖和軸比曲線（is平面即為u=。°平面）.可以看出，在工作頻帶內(nèi)，天線單元波束寬度變化很小，約75°.表明該天線單元在工作頻帶內(nèi)具有恒定寬波束性能.這一穩(wěn)定方向圖的輻射特性有助于改善陣列天線寬布

15、掃描時(shí)波束的穩(wěn)定性.圖5給出了該單元的軸比隨頻率變化曲線.在工作頻帶內(nèi)，圜極化軸比小于2.5dB.8.48.6H率/GHza*180-120-60060120180角度/()圖2陣列單元攜口駐波比-40圖3天線單元不同頻點(diǎn)方向圖比較323003060角度/C)r尋G二一gCBP蕓CDP*3003060角度/C)3003060角度/C)圖5天線單元軸比隨頻率變化曲線2圓極化陣列天線設(shè)計(jì)傳統(tǒng)的寬角/1描陣列天線通過在掃描不同的IX：域時(shí)將陳列I：作扇區(qū)切換到對應(yīng)于該方向的子扇X而獲得很寬的波束覆蓋范圍.其中每一個(gè)子扇區(qū)只需要掃描個(gè)較小的范圈，這使得對于每一個(gè)子陣的波束也蓋性能要求降低.但這也帶來了

16、傳統(tǒng)寬角掃描天線陣（如*球陣.圓錐陣及圓柱形陣列）體積過大的問題.為了實(shí)現(xiàn)陣列天線在二維空間內(nèi)寬角掃描并Iljmj.低剖面的特性，本文設(shè)計(jì)一種采用新型單.元布陌的“漣漪"狀陣列天線.2.I陣列布局與結(jié)構(gòu)該陣列天線的布材如圖6所示.陣列由三個(gè)圓環(huán)了陣構(gòu)成,每個(gè)圓環(huán)于陣由若干個(gè)陣列單元蛆成.第環(huán)10個(gè)、第二環(huán)22個(gè)、第三環(huán)32個(gè)；每個(gè)圓環(huán)1：的單元法向均偏離陣列法向（z軸方向）一個(gè)固定角度并等間距排布在與之相對應(yīng)的“漣布”狀金屬架E.圖6（a）給出了陣列的單元排布示意圖，其中第圓環(huán)和第二圓環(huán)陣列中的單元設(shè)有相同的傾角第三IMI環(huán)（成外環(huán)）的單元傾角為仇.與第-圓環(huán)相對應(yīng)的“漣漪”部分的傾

17、角為們，而與第二圓環(huán)、第三圓環(huán)相對應(yīng)的“漣漪”部分的傾角為劣.S,、S、天n元-stir狀堆板（a）陣元位冒關(guān)系示意圖&為各環(huán)單元與頂部、底部的間距.圖6（b）給出了陣列單元位置排布及編杪規(guī)則：由內(nèi)而外，每一例環(huán)子陣的單元編號(hào)逆時(shí)針依次增大；每一圓環(huán)子陣中編號(hào)最小的單元位于相鄰、靠內(nèi)側(cè)的圓環(huán)子陣前兩個(gè)單元的角平分線上.R、R、R3對應(yīng)各圓環(huán)子陣的半徑.該陣列天線的獨(dú)特之處在于通過陣因子方向圖與單元因子方向圖互補(bǔ)實(shí)現(xiàn)寬角平坦增益掃描性能.如圖7所示，三個(gè)等幅激勵(lì)的單元排布在-條直線上.其中00代表單元間距/代表掃描角.則線陣方向圖函數(shù)表達(dá)式為f（O）=（14-e+c'"

18、/"勺）fr（02）=/.（0，）fr（0）.（1）式中：飽、機(jī)代表從左到右第二、三個(gè)單元的激勵(lì)相位;但對應(yīng)圖6中單元傾角4機(jī)）和人。）分別代表陣因子及單元方向圖函數(shù).I人（。，4為）I的最大值出現(xiàn)在線陣法向（z軸方向）且隨著掃描角0的增大而逐漸減小，而Ifr（0）I最大值方向出現(xiàn)在單元法向，所以通過陣因子人（仇內(nèi)，飽）與中.元因子。（0）的方向圖互補(bǔ)，可以實(shí)現(xiàn)陣列波束寬角度掃描，并保持較小的增益起伏.（b）陣元編號(hào)圖6陣列天線排布方式示意圖在陣列設(shè)計(jì)中.各個(gè)參數(shù)的優(yōu)化主要基于如下準(zhǔn)則：1）各環(huán)單元的傾角（但們）主要以陣列寬角掃描增益的平坦度為優(yōu)化目標(biāo)；2）劣、務(wù)，以及S-S?、S3

19、是以陣中單元波束方向圖的穩(wěn)定性為優(yōu)化目標(biāo);3）各環(huán)單元分配數(shù)目、單元間距，以及環(huán)距是以陣列的柵瓣抑制為優(yōu)化目標(biāo).在該陣列設(shè)計(jì)中，由于最外側(cè)圓環(huán)子陣單元數(shù)目占了全陣單元數(shù)目的一半所以在陣列設(shè)計(jì)中需要取點(diǎn)考慮該環(huán)單元的傾角（仇）來獲得更平坦的增益起伏.通過仿真優(yōu)化設(shè)計(jì).各項(xiàng)優(yōu)化參數(shù)如下：仇=33°0=4O°，a=3O°0=55°,Si=5mm»S2=6mm.S3=5mm.R,=55mm.R2=121=185mm.2.2陣元激勵(lì)與選擇陣元激勵(lì)主要基于陣列的掃描增益和副懈、柵(a)俯祝圖(a>掃描角為。士10°<b)掃描角大于&#

20、177;10.圖8兩種陣元激勵(lì)模式(b)3DM圖烈進(jìn)行考慮.為簡單起見，本陣列中主要采用兩種激勵(lì)模式，如圖8所示.由于陣列天線結(jié)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)對稱性，該陣列在各方位面具有相似的波束掃描性能.當(dāng)陣列主波束錐形掃描角在0°義時(shí)(億代表區(qū)分兩種激勵(lì)模式的臨界掃描角).全部陣列單元激勵(lì).如圖8(a)所示.當(dāng)陣列主波束錐形掃描角超過0,時(shí)對應(yīng)波束指向的一半扇區(qū)帷元被激勵(lì)，如圖8(b)所示.0,的選擇標(biāo)準(zhǔn)以天線的平坦增益為H標(biāo),通過仿立得到：當(dāng)0、=±10°時(shí)，所有單元被等幅激勵(lì)與對應(yīng)的一半扇區(qū)氓元被等幅激勵(lì).兩者JI有相近的輻射增益，&明此時(shí)另外一半激勵(lì)的單元更多貢獻(xiàn)F棚

21、瓣和旁灘輻射.(c)側(cè)祝圖圖9陣列天技仿夏模型2.3陣元性能與分析圖10陣列單元互螺仿直培果8P/W*眠W通過HFSS仿fl軟件設(shè)計(jì)并分析了64單元陣列，仿JX模型如圖9所示.本文所設(shè)計(jì)的陣元R有應(yīng)好的阻抗舊兄，由于該陣列獨(dú)特的結(jié)構(gòu).陣元之間的間距無需像傳統(tǒng)寬角掃描陣列那樣緊密.從而使得陣元之間的榔合較小，這從-定程度上增加r陣列排布的自由度.圖10給出了兒個(gè)代表性單元之間的耦合情況，可見單元之間的耦合小于一32dB.因?yàn)殛嚵刑炀€每一網(wǎng)環(huán)子陣具有對稱性IL子陣間距較大，每-子陣帆元的有源駐波具仃很好的-致性.為簡潔起見.選取何-圓環(huán)子陣的前兩個(gè)單元給出相應(yīng)的仿點(diǎn)有源駐波比.圖11給出r陣列天線

22、存源在波比隨波束掃描伯的變化曲線.可見，隨芥陣列天線波束掃描角的改變，陣列的有源在波比均小于1.7.蛆«»*WlWHr圖11陣列天城有源駐波比隨波束掃描變化情況(c)9GHz圖12陣列天線波束掃描方向圖及軸比由陣列天線結(jié)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)對稱性.因此在二維空間任一截面具有相近的掃描性能.圖12給出r陣列天線在三個(gè)取要頻率點(diǎn)(8GHz、8.5GHz、9GHz)的波束掃描方向圖(e平面).以及對應(yīng)主波束內(nèi)的圓極化的比曲線.可以看到，在工作頻帶內(nèi),主波束掃描至0°士62°時(shí)增益變化1821.2dBic齦大起伏約3.2dR,圓極化軸比均小于3dB.(1*1得注意的是陣列在

23、波束掃描20°時(shí)軸比相對較於.這是因?yàn)殛嚵性趫A周方向采用r圓極化相位補(bǔ)償，當(dāng)掃描波束偏離陣列法向時(shí)陣列只有一半的單元在工作這使得圓極化補(bǔ)償?shù)男Ч巳酰涣硪环矫媸遣ㄊ鴴呙柚?0°30°時(shí)，最外側(cè)的圓環(huán)了陣單元在該方向上的軸比本身較差."I見.通過陣因子方向圖與單元因方向圖互補(bǔ)實(shí)現(xiàn)r寬角度掃描能力.同時(shí)可以看到.在頻帶范幽內(nèi)最大副瓣電平發(fā)生在波束掃描到最大角度時(shí).此副再相比主瓣幅度低約10(IB.該副瓣的抑制可從三個(gè)方面考慮，一是多環(huán)形不等間距陣列為作周期性結(jié)構(gòu)，所以環(huán)數(shù)越多.對柵潘抑制越有效；二是通過更合理地選擇激勵(lì)單元凹以有效地降低陣列天線的副泅電平，三

24、是若對陣列單元激勵(lì)幅值進(jìn)行加權(quán)優(yōu)化，陣列天線的副灘電平可以進(jìn)一步降低.為臉證該設(shè)計(jì),對上述陣列進(jìn)行了加工及測試.圖13、圖14給出了陣列在中心頻點(diǎn)(8.5GHz)對應(yīng)不同波束掃描角的方向圖、軸比的仿真及實(shí)測結(jié)果.實(shí)測結(jié)果顯示：該陣列天線可以實(shí)現(xiàn)波束覆蓋0°±62°且保持波束增益起伏小于1.71dB,主波束范圖內(nèi)軸比小于2dB.圖13陣列天城波束掃描仿真及實(shí)測方向圖圖14陣列天線波束掃描仿真及實(shí)測軸比l92I-.ill«1224.ll-】?M,33.fMIdttU捧IX)0.5ajmm,0BJ(>A箏率QHz-2】<2-til122.51112

25、3354-，33#34廿10ttIJos打!140,10B.2MMLB。心ML6原*/GHz圖15給出了陣列天線實(shí)測的單元有源駐波比.可以看到：在89GHz工作帶寬內(nèi)，該陣列天線隨著波束掃描角的改變，單元有源駐波比基本保持在2.1以下.23廿10IJ斥1*02圖15陣列天線對應(yīng)不同掃描角的實(shí)測有源駐波比表1將該陣列與傳統(tǒng)的共形天線陣做了對比（文獻(xiàn)口1、口2均為仿真結(jié)果，其中A為對應(yīng)工作頻率自由空間波長）.由表1可知，本文提出的陣列相比傳統(tǒng)的陣列天線具有較低的剖面，且可以保持寬角度掃描時(shí)較高的增益.表1共形天線陣掃描性能對比文獻(xiàn)掃描范圍/（°）剖面增益起伏/dB最小增益11。士902入

26、59.5dBi12。士690.82A3<9dBic本文0±620.94A1.7117.96dBic3結(jié)論本文提出了一種新型的“漣漪"狀陣列天線，該陣列天線具有寬頻帶、寬角度掃描、低剖面的特點(diǎn).不同于傳統(tǒng)陣列天線單純依賴寬波束天線單元或者單純依靠改變陣面形態(tài)來實(shí)現(xiàn)寬角波束掃描，本文所提出的“漣漪”狀陣列天線采用了陣因子方向圖及單元因子方向圖互補(bǔ)的方法來展寬波束掃描角.實(shí)測的64元陣列天線結(jié)果表明，該陣列在89GHz,二維空間區(qū)域波束掃描角達(dá)到士62°,均保持有源駐波比小于2.1.中心頻點(diǎn)波束增益起伏小于1.71dB,軸比小于2dB.本文中采用的“漣漪”狀組陣形

27、式使得陣列天線可以在展寬波束掃描角的同時(shí)利用單元方向圖來達(dá)到抑制副瓣電平的效果.此外，該陣列天線獨(dú)特的“漣漪”狀組陣形式使得其相比于傳統(tǒng)的共形陣列天線具有很大的低剖面優(yōu)勢且只需要通過簡單地調(diào)整便可擴(kuò)展其陣列規(guī)模.參考文獻(xiàn)LIM,XIAOSQ,WANGBZ.Investigationofusinghighimpedancesurfacesforwideanglescanningar-raysJ.IEEEtransactionsonantennaspropagation,2015, 63(7)：2895-2901.1 YANGGW,LIJY,XUR,ctal.Improvingtheperform

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