2024年5月31日发(作者：候如风)
第30卷 第1期
2010年3月
雷达与对抗
RADAR&ECM
Vo.l30 No.1
Mar.2010
一种天线馈源用宽带孔径耦合层叠
微带贴片阵的设计
*
孟庆鹏,朱乙平,季彦婷
12
**
2
(1.海军驻南京地区雷达系统军事代表室,南京210003;2.南京船舶雷达研究所,南京210003)
摘 要:介绍了一种宽带孔径耦合层叠微带辐射单元的工作原理,着重分析了该辐射单元主要
结构尺寸对其阻抗带宽的影响。该辐射单元阻抗带宽(VSWR[2B1)在S波段达到了30%
以上。作为某抛物反射面天线的馈源,由4个该辐射单元组成四单元微带贴片天线阵后,其性
能满足天线系统要求。
关键词:微带天线;孔径耦合;阻抗带宽
中图分类号:TN82 文献标志码:A 文章编号:1009-0401(2010)01-0033-05
Thedesignofbroadbandaperture-coupledstackedmicrostrip
patcharrayforantennafeed
MENGQing-peng,ZHUYi-ping,JIYan-ting
122
(ryRepresentativeOfficeofRadarSystemoftheChinesePLANavyinNanjing,
Nanjing210003;gMarineRadarInstitute,Nanjing210003)
Abstract:Theworkingprincipleofbroadbandaperture-coupledstackedmicrostripradiation
elementsisintroducedwithemphasisoneffectsofthemainstructureanddimensionsonthe
mpedancebandwidth(VSiWR[2B1),whichisuptoover30%r-element
microstrippatchantennaarrayasthefeedoftheparabolicreflectorantennameetstherequirements
oftheantennasystem.
Keywords:microstripantenna;aperturecoupling;impedancebandwidth.
1 引 言
微带天线以其结构简单、低剖面、小型化、易于集
成以及价格低廉等优点得到了广泛的应用,但其最严
重的缺点是单个贴片天线的带宽太窄,只能达到百分
之几的工作带宽,与天线振子、缝隙天线、喇叭天线相
比差距较大。微带天线的工作频带可以通过增加微带
介质的厚度或降低微带介质的介电常数实现展宽,但
效果不明显。本文研究的一种宽带孔径耦合微带层叠
辐射天线采用多贴片层叠、微带孔径耦合的结构形式,
整个天线的总体带宽得以展宽。研制的辐射单元和由
此组成的四单元天线阵,其性能满足天线系统要求。
2 宽带孔径耦合层叠微带天线的设计
2.1 基本原理
微带天线的馈电方式一般有同轴内导体探针馈电
和边馈。传统的同轴内导体探针馈电,因馈电结构在
较高微波工作频率和贴片本身大小相当,性能会变得
十分劣化。同时,同轴内导体探针与贴片间需要焊接,
一致性难以保证。而边馈方式往往给馈电分配网络和
相应微波器件预留的空间非常小。为了实现微带天线
宽频带而加厚介质层时上述问题尤其严重。
某雷达系统要求研制的微带天线馈源工作在S波
段,带宽达30%以上。显然,上述两种馈电方式都不
适合,需采用孔径耦合微带贴片馈电方式,而贴片可分
*
**
收稿日期:2010-01-14
作者简介:孟庆鹏,男,1983年生,助理工程师,现从事雷达总体研究。
)33)
雷达与对抗 2010年 第1期
为单层或叠层两种形式,这两种结构都能实现宽频带。
但是,单层贴片结构因耦合缝接近于谐振状态会产生
很高的后向辐射电平。因此,辐射单元采用双层贴片
层叠结构形式,每个贴片均采用矩形结构,单个矩形微
带贴片天线的长度近似为半波长。单个贴片的谐振中
心频率f可以按下式估算:
f=
c
K
d
E
r
=q
c
2bE
r
和下贴片之间间距d
2
和耦合槽缝的长度f
l
。
建模如图1所示。使用HFSS软件仿真几何参数
对天线性能的影响。
其中,c是光速,q是等效介电常数因子,b是贴片的长
度。调整双层微带贴片天线每层贴片的长度,使得每
层贴片谐振于不同频率;同时调整双层微带贴片天线
上层和下层之间的距离以及下层和馈电之间的距离,
从而改变上下贴片间相互耦合实现宽频带。层叠耦合
微带天线的耦合槽缝缝长对拓宽频带影响也很大。因
此,设计孔径耦合微带层叠辐射单元时,必须掌握上述
主要结构参数对层叠辐射天线性能的影响关系。
2.2 几何参数对性能的影响研究
在设计孔径耦合微带层叠辐射天线时,主要针对
以下5个几何参数间关系进行研究:层叠贴片上贴片
w
2
、下贴片w
1
、上贴片和下贴片之间间距d
1
、耦合槽缝
图1 缝隙耦合天线结构示意图
(1)改变上贴片尺寸对驻波的影响
由图2可以看出,当wx
2
减少时,在较低谐振频率
的耦合会加大,随着wx
2
进一步变小,由于上贴片w
2
与
下贴片w
1
的散射场间的耦合越来越弱,因此孔径耦合
微带层叠辐射天线性能就逐渐接近单层孔径耦合微带
辐射天线的性能。
图2 改变上贴片尺寸对驻波的影响
)34)
孟庆鹏 等 一种天线馈源用宽带孔径耦合层叠微带贴片阵的设计
图3 改变上贴片和下贴片之间的距离d
1
对驻波的影响
图4 改变耦合槽缝和下贴片之间的距离d
2
对驻波的影响
(2)改变下贴片尺寸对驻波的影响
当wx
1
/f
1
(下贴片大小/槽缝长)变大时,贴片耦合
会变弱,这是因为下贴片wx
1
变大后,上贴片wx
2
和槽
的激励场之间相互作用会减弱,从而和下贴片及槽之
间的耦合作用降低。
改变wx
1
对天线性能的影响刚好和改变wx
2
的结
果相反。增加wx
1
和减少wx
2
都会减弱上贴片w
2
与下
贴片w
1
之间散射场的耦合。wx
1
改变时引起的驻波特
性变化比因wx
2
改变带来的变化大得多,因此层叠孔
径耦合微带天线性能对于制造公差(fabrication
tolerance)的灵敏度要好于单层孔径耦合微带辐射
天线。
(3)改变层叠微带天线上贴片和下贴片之间的距
离d
1
对驻波的影响
随着d
1
增大,上、下贴片与耦合槽缝间的距离都
增大,逐渐接近单层孔径耦合微带辐射天线,微带层叠
辐射天线低频、高频的性能似乎要变差。但是,由图3
和图2看出,微带天线的VSWR性能基本上没有受到
影响。
(4)改变耦合槽缝和下贴片之间的距离d
2
对驻
波的影响
随着d
2
增大,耦合槽缝与上贴片间的耦合会很
弱,微带层叠辐射天线性能变得和单层孔径耦合微带
辐射天线相近似。随着d
2
变小,上、下贴片与耦合槽
缝距离都很近,在高频会产生谐振,谐振频率随着
增大。
(5)改变孔径耦合缝槽的长度f
l
对驻波的影响
f
l
加大相当于下贴片宽度变小。孔径耦合缝槽的
长度和下贴片W
1
对微带天线的VSWR的影响趋势是
一样的。
可以看出,在微带层叠孔径耦合辐射天线中,层叠
贴片(上贴片w
2
与下贴片w
1
)以及耦合缝之间是相互
影响的。改变某一结构尺寸就会改变天线的工作带
宽。掌握了这些特性后,研制宽带孔径耦合微带层叠
辐射天线时就能够做到有的放矢。
综合以上设计分析,得到的一组最优结构参数如
下:H=1mm(介质板厚度),W=2.7mm,wx
1
=wy
1
=
33.5mm,wx
2
=wy
2
=28mm,f
l
=27.6mm,A
w
=0.9mm
)35)
雷达与对抗 2010年 第1期
图5 改变孔径耦合缝槽的长度f
l
对驻波的影响
(缝隙的宽度);d
1
=6mm,d
2
=5.4mm。微带天线的
VSWR特性如图6所示。图7为该单元在f
0
的辐射方
向图。
由图6的仿真结果可知:在f
0
?0.15f
0
的工作频
带范围内,天线VSWR[2.0,由图7知该天线E面与
H面的方向图完好。
由理论仿真结果制作了孔径耦合微带层叠辐射天
线单元,其实际测试结果与仿真基本吻合。
3 四单元天线阵的应用
某雷达系统要求工作在S波段,带宽达30%。选
切割抛物面作为天线反射面,由宽带耦合微带层叠辐
射单元组成的四单元(2@2)天线阵作为馈源。实际
上,S波段四单元天线阵只是某天线组合馈源中的一
部分。根据天线系统对馈源方向图的要求和组合馈源
所允许的几何布局,四单元天线阵如图8所示。
图6 微带天线的驻波特性
图8 四单元天线阵
4个单元结构上是关于xoy坐标系原点对称的。
首先单元1和2两合一,单元3和4两合一,然后再两
两合一到和端口(port)。为了保证4个单元的幅相完全
一致,除本身的辐射单元一致性外,和端口到4个单元
图7 f
0
仿真辐射方向图
)36)
的馈电网络也要保证幅相一致,因此匹配网络也需要精
心设计。借助HFSS进行参数优化得到在f
0
?0.15f
0
范
孟庆鹏 等 一种天线馈源用宽带孔径耦合层叠微带贴片阵的设计
图9 天线f
0
处的实测辐射方向图
围内驻波小于2。天线E面实测辐射方向图如图9所
示,12dB波瓣宽度约为90b,满足某天线系统要求。
用,天线性能达到设计要求。
参考文献:
4 结 论
本文介绍了一种宽带孔径耦合微带层叠辐射单元
天线。对影响其阻抗带宽的主要结构尺寸作了着重分
析,有助于对该天线不同谐振间耦合机理更完全的理
解。研制的天线在S波段工作带宽达30%以上。由
此组成的四单元天线阵在某雷达天线系统中得到了应
[1] FredericCroq,eter-Wave
DesignofWide-BandAperture-CoupledStacked
MicrostripAntennas[J].
AntennasPropaga.,1991,39(12):1770-1776.
[2] ,stripAntennas[M].
IEEEPRESS,1995:157-305.
(上接第26页)
[4] ctionalFouriertransformand
参考文献:
[1] ctionalorderFouriertransform
anditsapplicationtoquantummechanicsJ.
[J].Applics,1980,25:241-256.
[2] 陶然,齐林,王越.分数阶傅里叶变换及其应用
[M].北京:清华大学出版社,2003.
[3] OzktasH.M,ArikanO,KulayMA,al
computationofthefractionalFouriertransform
[J].IEEETransactiononSignalprocessing.
1996, 44(9):2141-2150.
time-frequencyrepresentations[J].IEEETrans.
SignalProcessing,1994,42:3084-3091.
[5] 张贤达,保铮.非平稳信号分析与处理[M].北
京:国防工业出版社,1998.
[6] JenhoT,ionofsidelobe
andspeckleartifactsinmicrowavemiaging:the
cleantechnique[J].IEEETransactionon
AntennasandPropagation,1988,AP-36(4):
543-556.
)37)
2024年5月31日发(作者：候如风)
第30卷 第1期
2010年3月
雷达与对抗
RADAR&ECM
Vo.l30 No.1
Mar.2010
一种天线馈源用宽带孔径耦合层叠
微带贴片阵的设计
*
孟庆鹏,朱乙平,季彦婷
12
**
2
(1.海军驻南京地区雷达系统军事代表室,南京210003;2.南京船舶雷达研究所,南京210003)
摘 要:介绍了一种宽带孔径耦合层叠微带辐射单元的工作原理,着重分析了该辐射单元主要
结构尺寸对其阻抗带宽的影响。该辐射单元阻抗带宽(VSWR[2B1)在S波段达到了30%
以上。作为某抛物反射面天线的馈源,由4个该辐射单元组成四单元微带贴片天线阵后,其性
能满足天线系统要求。
关键词:微带天线;孔径耦合;阻抗带宽
中图分类号:TN82 文献标志码:A 文章编号:1009-0401(2010)01-0033-05
Thedesignofbroadbandaperture-coupledstackedmicrostrip
patcharrayforantennafeed
MENGQing-peng,ZHUYi-ping,JIYan-ting
122
(ryRepresentativeOfficeofRadarSystemoftheChinesePLANavyinNanjing,
Nanjing210003;gMarineRadarInstitute,Nanjing210003)
Abstract:Theworkingprincipleofbroadbandaperture-coupledstackedmicrostripradiation
elementsisintroducedwithemphasisoneffectsofthemainstructureanddimensionsonthe
mpedancebandwidth(VSiWR[2B1),whichisuptoover30%r-element
microstrippatchantennaarrayasthefeedoftheparabolicreflectorantennameetstherequirements
oftheantennasystem.
Keywords:microstripantenna;aperturecoupling;impedancebandwidth.
1 引 言
微带天线以其结构简单、低剖面、小型化、易于集
成以及价格低廉等优点得到了广泛的应用,但其最严
重的缺点是单个贴片天线的带宽太窄,只能达到百分
之几的工作带宽,与天线振子、缝隙天线、喇叭天线相
比差距较大。微带天线的工作频带可以通过增加微带
介质的厚度或降低微带介质的介电常数实现展宽,但
效果不明显。本文研究的一种宽带孔径耦合微带层叠
辐射天线采用多贴片层叠、微带孔径耦合的结构形式,
整个天线的总体带宽得以展宽。研制的辐射单元和由
此组成的四单元天线阵,其性能满足天线系统要求。
2 宽带孔径耦合层叠微带天线的设计
2.1 基本原理
微带天线的馈电方式一般有同轴内导体探针馈电
和边馈。传统的同轴内导体探针馈电,因馈电结构在
较高微波工作频率和贴片本身大小相当,性能会变得
十分劣化。同时,同轴内导体探针与贴片间需要焊接,
一致性难以保证。而边馈方式往往给馈电分配网络和
相应微波器件预留的空间非常小。为了实现微带天线
宽频带而加厚介质层时上述问题尤其严重。
某雷达系统要求研制的微带天线馈源工作在S波
段,带宽达30%以上。显然,上述两种馈电方式都不
适合,需采用孔径耦合微带贴片馈电方式,而贴片可分
*
**
收稿日期:2010-01-14
作者简介:孟庆鹏,男,1983年生,助理工程师,现从事雷达总体研究。
)33)
雷达与对抗 2010年 第1期
为单层或叠层两种形式,这两种结构都能实现宽频带。
但是,单层贴片结构因耦合缝接近于谐振状态会产生
很高的后向辐射电平。因此,辐射单元采用双层贴片
层叠结构形式,每个贴片均采用矩形结构,单个矩形微
带贴片天线的长度近似为半波长。单个贴片的谐振中
心频率f可以按下式估算:
f=
c
K
d
E
r
=q
c
2bE
r
和下贴片之间间距d
2
和耦合槽缝的长度f
l
。
建模如图1所示。使用HFSS软件仿真几何参数
对天线性能的影响。
其中,c是光速,q是等效介电常数因子,b是贴片的长
度。调整双层微带贴片天线每层贴片的长度,使得每
层贴片谐振于不同频率;同时调整双层微带贴片天线
上层和下层之间的距离以及下层和馈电之间的距离,
从而改变上下贴片间相互耦合实现宽频带。层叠耦合
微带天线的耦合槽缝缝长对拓宽频带影响也很大。因
此,设计孔径耦合微带层叠辐射单元时,必须掌握上述
主要结构参数对层叠辐射天线性能的影响关系。
2.2 几何参数对性能的影响研究
在设计孔径耦合微带层叠辐射天线时,主要针对
以下5个几何参数间关系进行研究:层叠贴片上贴片
w
2
、下贴片w
1
、上贴片和下贴片之间间距d
1
、耦合槽缝
图1 缝隙耦合天线结构示意图
(1)改变上贴片尺寸对驻波的影响
由图2可以看出,当wx
2
减少时,在较低谐振频率
的耦合会加大,随着wx
2
进一步变小,由于上贴片w
2
与
下贴片w
1
的散射场间的耦合越来越弱,因此孔径耦合
微带层叠辐射天线性能就逐渐接近单层孔径耦合微带
辐射天线的性能。
图2 改变上贴片尺寸对驻波的影响
)34)
孟庆鹏 等 一种天线馈源用宽带孔径耦合层叠微带贴片阵的设计
图3 改变上贴片和下贴片之间的距离d
1
对驻波的影响
图4 改变耦合槽缝和下贴片之间的距离d
2
对驻波的影响
(2)改变下贴片尺寸对驻波的影响
当wx
1
/f
1
(下贴片大小/槽缝长)变大时,贴片耦合
会变弱,这是因为下贴片wx
1
变大后,上贴片wx
2
和槽
的激励场之间相互作用会减弱,从而和下贴片及槽之
间的耦合作用降低。
改变wx
1
对天线性能的影响刚好和改变wx
2
的结
果相反。增加wx
1
和减少wx
2
都会减弱上贴片w
2
与下
贴片w
1
之间散射场的耦合。wx
1
改变时引起的驻波特
性变化比因wx
2
改变带来的变化大得多,因此层叠孔
径耦合微带天线性能对于制造公差(fabrication
tolerance)的灵敏度要好于单层孔径耦合微带辐射
天线。
(3)改变层叠微带天线上贴片和下贴片之间的距
离d
1
对驻波的影响
随着d
1
增大,上、下贴片与耦合槽缝间的距离都
增大,逐渐接近单层孔径耦合微带辐射天线,微带层叠
辐射天线低频、高频的性能似乎要变差。但是,由图3
和图2看出,微带天线的VSWR性能基本上没有受到
影响。
(4)改变耦合槽缝和下贴片之间的距离d
2
对驻
波的影响
随着d
2
增大,耦合槽缝与上贴片间的耦合会很
弱,微带层叠辐射天线性能变得和单层孔径耦合微带
辐射天线相近似。随着d
2
变小,上、下贴片与耦合槽
缝距离都很近,在高频会产生谐振,谐振频率随着
增大。
(5)改变孔径耦合缝槽的长度f
l
对驻波的影响
f
l
加大相当于下贴片宽度变小。孔径耦合缝槽的
长度和下贴片W
1
对微带天线的VSWR的影响趋势是
一样的。
可以看出,在微带层叠孔径耦合辐射天线中,层叠
贴片(上贴片w
2
与下贴片w
1
)以及耦合缝之间是相互
影响的。改变某一结构尺寸就会改变天线的工作带
宽。掌握了这些特性后,研制宽带孔径耦合微带层叠
辐射天线时就能够做到有的放矢。
综合以上设计分析,得到的一组最优结构参数如
下:H=1mm(介质板厚度),W=2.7mm,wx
1
=wy
1
=
33.5mm,wx
2
=wy
2
=28mm,f
l
=27.6mm,A
w
=0.9mm
)35)
雷达与对抗 2010年 第1期
图5 改变孔径耦合缝槽的长度f
l
对驻波的影响
(缝隙的宽度);d
1
=6mm,d
2
=5.4mm。微带天线的
VSWR特性如图6所示。图7为该单元在f
0
的辐射方
向图。
由图6的仿真结果可知:在f
0
?0.15f
0
的工作频
带范围内,天线VSWR[2.0,由图7知该天线E面与
H面的方向图完好。
由理论仿真结果制作了孔径耦合微带层叠辐射天
线单元,其实际测试结果与仿真基本吻合。
3 四单元天线阵的应用
某雷达系统要求工作在S波段,带宽达30%。选
切割抛物面作为天线反射面,由宽带耦合微带层叠辐
射单元组成的四单元(2@2)天线阵作为馈源。实际
上,S波段四单元天线阵只是某天线组合馈源中的一
部分。根据天线系统对馈源方向图的要求和组合馈源
所允许的几何布局,四单元天线阵如图8所示。
图6 微带天线的驻波特性
图8 四单元天线阵
4个单元结构上是关于xoy坐标系原点对称的。
首先单元1和2两合一,单元3和4两合一,然后再两
两合一到和端口(port)。为了保证4个单元的幅相完全
一致,除本身的辐射单元一致性外,和端口到4个单元
图7 f
0
仿真辐射方向图
)36)
的馈电网络也要保证幅相一致,因此匹配网络也需要精
心设计。借助HFSS进行参数优化得到在f
0
?0.15f
0
范
孟庆鹏 等 一种天线馈源用宽带孔径耦合层叠微带贴片阵的设计
图9 天线f
0
处的实测辐射方向图
围内驻波小于2。天线E面实测辐射方向图如图9所
示,12dB波瓣宽度约为90b,满足某天线系统要求。
用,天线性能达到设计要求。
参考文献:
4 结 论
本文介绍了一种宽带孔径耦合微带层叠辐射单元
天线。对影响其阻抗带宽的主要结构尺寸作了着重分
析,有助于对该天线不同谐振间耦合机理更完全的理
解。研制的天线在S波段工作带宽达30%以上。由
此组成的四单元天线阵在某雷达天线系统中得到了应
[1] FredericCroq,eter-Wave
DesignofWide-BandAperture-CoupledStacked
MicrostripAntennas[J].
AntennasPropaga.,1991,39(12):1770-1776.
[2] ,stripAntennas[M].
IEEEPRESS,1995:157-305.
(上接第26页)
[4] ctionalFouriertransformand
参考文献:
[1] ctionalorderFouriertransform
anditsapplicationtoquantummechanicsJ.
[J].Applics,1980,25:241-256.
[2] 陶然,齐林,王越.分数阶傅里叶变换及其应用
[M].北京:清华大学出版社,2003.
[3] OzktasH.M,ArikanO,KulayMA,al
computationofthefractionalFouriertransform
[J].IEEETransactiononSignalprocessing.
1996, 44(9):2141-2150.
time-frequencyrepresentations[J].IEEETrans.
SignalProcessing,1994,42:3084-3091.
[5] 张贤达,保铮.非平稳信号分析与处理[M].北
京:国防工业出版社,1998.
[6] JenhoT,ionofsidelobe
andspeckleartifactsinmicrowavemiaging:the
cleantechnique[J].IEEETransactionon
AntennasandPropagation,1988,AP-36(4):
543-556.
)37)