一種新型相控陣天線的設(shè)計

一種新型相控陣天線的設(shè)計

20世紀(jì)60年代，蘇聯(lián)物理哲學(xué)家韋澤拉戈提出了左側(cè)媒質(zhì)（lhm）的物理概念。這種媒質(zhì)的介電常數(shù)ε和磁導(dǎo)率μ都為負(fù)值,微波穿過LHM時呈現(xiàn)出后向波傳播特性和負(fù)折射特性。復(fù)合左右手傳輸線是左手媒質(zhì)的傳輸線實現(xiàn)形式。復(fù)合左右手傳輸線在相控陣天線方面的應(yīng)用最近由加拿大的多倫多大學(xué)提出,主要包括兩方面:一是將復(fù)合左右手傳輸線自身作為天線單元的頻率掃描漏波天線,通過改變每個單元的傳播常數(shù)控制天線的掃描范圍和波束寬度;二是將復(fù)合左右手傳輸線用作陣列天線間的饋電結(jié)構(gòu),通過控制饋電網(wǎng)絡(luò)的相移來實現(xiàn)陣列天線的波束掃描。本文基于第二種方式提出一種新型的相控陣列天線。該相控陣天線通過電壓控制復(fù)合左右手傳輸線相移器的相移,從而實現(xiàn)波束掃描。該方式可實現(xiàn)饋電網(wǎng)絡(luò)的小型化,并可簡化相控陣的波束控制方式。1復(fù)合整體單元復(fù)合左右手傳輸線相移器的設(shè)計依據(jù)是相位補償原理。右手傳輸線在正的群速度方向相位滯后,具有負(fù)的相移;左手傳輸線在正的群速度方向相位超前,具有正的相移。因此,在給定頻率處級聯(lián)右手傳輸線和左手傳輸線經(jīng)過較短物理長度可實現(xiàn)正、負(fù)或者零度相位。根據(jù)這一原理設(shè)計的復(fù)合左右手傳輸線相移器單元如圖1所示,其中d是微帶線的長度,Z0為微帶線的特性阻抗,C是加載串聯(lián)電容,L是加載并聯(lián)電感。對復(fù)合左右手相移器單元在零相位頻率的周期性研究可知:在零相位點附近阻帶閉合需滿足在滿足阻帶閉合條件的情況下,左手相移器單元總的相移可近似寫為如果同時調(diào)節(jié)L和C的值為rL×L、rC×C(r為變化因子),則相位可調(diào)范圍可表示為同時調(diào)節(jié)L和C與只調(diào)節(jié)C相比,可使相移器的相位可調(diào)范圍加倍。而相移器只要滿足阻帶閉合條件,則可在整個可調(diào)范圍內(nèi)保持較低的回波損耗。2相序矩陣的結(jié)構(gòu)和工作原理2.1天線單元的設(shè)計限制本文設(shè)計的相控陣天線結(jié)構(gòu)如圖2所示,其饋電網(wǎng)絡(luò)采用串聯(lián)結(jié)構(gòu),與并聯(lián)結(jié)構(gòu)相比最顯著的優(yōu)點是饋電網(wǎng)絡(luò)的小型化。較小的饋電網(wǎng)絡(luò)可使陣列天線具有較小的輻射損耗。而且,串聯(lián)饋電具有相位累積特性,將使陣列天線放松對相移器可調(diào)范圍的設(shè)計限制。同時,該相控陣結(jié)構(gòu)移去了傳統(tǒng)串聯(lián)饋電結(jié)構(gòu)的中心主饋線,天線單元在饋電網(wǎng)絡(luò)兩側(cè)交互排列。并在相鄰單元間相移器前后分別插入兩個λ/4的轉(zhuǎn)換線,可使相鄰單元間具有相同的相移器,從而可簡化設(shè)計。相鄰單元間相移器采用具有恒定阻抗的復(fù)合左右手傳輸線相移器。該相控陣天線在假定各天線單元得到相同的輸入功率的前提下,λ/4轉(zhuǎn)換線的特性阻抗可通過下式給定式中:ZA為天線單元的特性阻抗;ZPS相移器的特性阻抗。該相控陣天線要在中心頻率實現(xiàn)邊射輻射,各天線單元應(yīng)反向饋電。其中每個λ/4阻抗轉(zhuǎn)換線產(chǎn)生負(fù)的90o相移,則相鄰單元間相移器在中心頻點需實現(xiàn)零度相移,而復(fù)合左右手相移器與傳統(tǒng)相移器相比顯著的特點就是以較小的尺寸實現(xiàn)零度相移,這也是本設(shè)計的巧妙之處。2.2復(fù)合瞳相移柄相移器是相控陣設(shè)計的關(guān)鍵。即一旦信號發(fā)生變化,只要調(diào)節(jié)相移器的相移量就可使陣列天線波束的最大指向作出相應(yīng)的變化,從而實現(xiàn)波束的掃描和跟蹤。本設(shè)計中的相移器采用主傳輸線加載電抗器件的復(fù)合左右手傳輸線形式實現(xiàn)。該相移器具有尺寸小、易于采用標(biāo)準(zhǔn)的蝕刻技術(shù)制作、可在設(shè)計頻率處呈現(xiàn)線性和寬帶相位響應(yīng)等特點。而且,該相移器根據(jù)加載器件值的不同,經(jīng)過較短的物理長度可產(chǎn)生正、負(fù)或零相位相移。調(diào)節(jié)復(fù)合左右手相移器的相位,可實現(xiàn)相控陣天線的波束掃描與跟蹤。相控陣天線的波束掃描角θ與相移的關(guān)系為式中:c是光速;φTL是相鄰單元間兩個λ/4傳輸線的相移;φPS是相鄰單元間復(fù)合左右手相移器的相移;dE是相鄰單元間距離。當(dāng)陣列天線中心頻率工作在邊射方向時φTL=–π、φPS=0,掃描角度隨頻率的變化率為式中:Tgd是相移器的固有群延時;ω是工作角頻率。從式(6)可看出,減小群延時的值,從而可減小陣列天線的波束傾斜。3復(fù)合東南角相移器仿真基于上述結(jié)構(gòu),設(shè)計工作在2.4GHz的四單元貼片相控陣天線如圖3所示。天線、阻抗轉(zhuǎn)換線和復(fù)合左右手相移器都集在同一塊相對介電常數(shù)4.4,厚度為3.2mm的微帶板上,該相控陣天線的平面特性適合應(yīng)用于低成本的無線消費領(lǐng)域。整個相控陣天線的大小為236.0mm×65.8mm,其中天線單元采用四個相同的嵌入式λ/2諧振矩形貼片,大小為37.0mm×27.3mm?？紤]到電抗器件的大小,復(fù)合左右手傳輸線相移器的特性阻抗選用75Ω,則相鄰單元間阻抗轉(zhuǎn)換線的特征阻抗可由(4)式計算出。復(fù)合左右手傳輸線相移器中加載的電容采用變?nèi)荻O管SMV1232實現(xiàn),加載的電感采用有源可調(diào)電感芯片實現(xiàn)。變?nèi)荻O管和有源電感芯片都是電壓控制器件,即通過調(diào)節(jié)電壓就可改變復(fù)合左右手傳輸線相移器中加載電容和電感量。加載的電容和電感量需滿足阻帶閉合條件(1)式,可使相控陣天線在整個相位可調(diào)范圍內(nèi)保持較低的回波損耗。復(fù)合左右手傳輸線相移器單元產(chǎn)生的相移量可通過(2)式計算出。為增加相位可調(diào)范圍,在本設(shè)計中級聯(lián)兩個復(fù)合左右手傳輸線單元。采用ADS軟件對復(fù)合左右手傳輸線相移器進(jìn)行電路仿真,調(diào)節(jié)電壓的值,相移器的回波損耗和插入損耗如圖4所示,相位隨頻率的變化如圖5所示。從圖4可以看出復(fù)合左右手傳輸線相移器在滿足阻帶閉合條件下,具有寬帶響應(yīng)特性,與前面的理論相符。從圖5可以看出,復(fù)合左右手傳輸線相移器在很寬的帶寬范圍內(nèi)具有線性相位特性。這些特性使得復(fù)合左右手傳輸線相移器適合用于相控陣天線,即通過電壓控制相移器的相位,從而控制相控陣的波束掃描。將設(shè)計好的相移器參數(shù)代入相控陣天線進(jìn)行整體仿真,仿真結(jié)果與通過(5)式理論計算的結(jié)果基本一致。進(jìn)一步制作實物對其仿真結(jié)果進(jìn)行驗證。在實物制作時,由于有源可調(diào)電感的成本昂貴,采取了根據(jù)仿真結(jié)果對特殊值進(jìn)行驗證的方法進(jìn)行實驗。實驗時分別選取了相控陣天線主波束在+15o,0o,–15o時制作測試,其相對應(yīng)的電容和電感值由表1給出。對天線實物的S參數(shù)進(jìn)行測量,將陣列天線左邊的SMA接頭與矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀連接,測試的回波損耗如圖6所示。從圖6可以看出,陣列天線在2.4GHz回波損耗小于–10dB的交叉帶寬為80MHz,近似為3.3%。相控陣天線具有較小的相對帶寬是由于貼片單元的窄帶特性造成,若想要拓寬天線帶寬則應(yīng)選擇寬帶天線單元。對天線實物進(jìn)行測量。將天線作為接受天線,喇叭天線作為發(fā)射天線,在長5m、寬3m采用錐形含碳海綿吸波材料制作的微波暗室進(jìn)行測量,測試結(jié)果如圖7所示。從圖7可以看出,主波束方向可以實現(xiàn)從–15o到+15o通過邊射方向的掃描,增益在8.2dBi到9.5dBi之間,其副瓣電平至少比主瓣電平低10dB。因復(fù)合左右手相移器的恒定阻抗特性,所以陣列天線的增益比較平坦。測試時輸入頻率每改變50MHz,波束傾斜1.3o,這是由于復(fù)合左右手相移器具有較小的尺寸,因此具有較小的群延時,由(6)式可知較小的群延時可使陣列天線具有較小的波束傾斜(2°/100MHz)。4復(fù)合整體網(wǎng)絡(luò)掃