平板端射天线阵馈电特性的研究

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        1  引言

        阵列天线在现今的通信、雷达等领域有着广泛的应用，在实际工作中，阵列天线的每一个天线单元都是开放型电路，各单元之间并不是完全隔离的而是存在着互耦。互耦是天线阵，尤其是小间距天线阵和大型天线阵天线综合中的一个关键性问题，对设备的系统性的优劣具有决定性作用。互耦问题的存在会影响天线的辐射性能。一般来说，互耦使馈入某一天线能量的一部分被其他天线单元所吸收，因而整个阵列天线系统辐射性能就会下降。因此人们一直在寻找去除耦合的有效途径，如增大单元间距，或者改变阵列的结构形式等方法。然而互耦作为一种物理现象是不可能完全消除的，它或多或少地存在于天线单元之间，因此有必要弄清互耦对阵列天线馈电特性的影响，从而为抑制或补偿单元在阵列中的互偶效应奠定理论和实验的基础。
         
        现阶段，国内外对于阵列天线的互耦研究一般以微带阵，喇叭阵，侧射阵和算法居多，在端射天线阵的互耦方面，很少见到公开报道。
         
        本文通过软件仿真，研究了互耦对端射天线阵列馈电特性的影响，并对实际工作的平板端射天线阵的每一单元逐个测试，对比仿真和实测的结果，验证了仿真情况下获得的馈电特性和阻抗特性的变化规律。
         
        2 计算仿真

        图1所示是仿真系统下建立的一个平板端射天线单元的模型。

       

        图1  单个平板端射天线模型

         
        该天线采用的是同轴线馈电的方式，工作频点为3Ghz，设置的仿真频段范围是2.5~3.5Ghz，边界条件设置为自由空间。通过运算后，得到s11幅度及相位的数据，驻波比曲线，输入阻抗曲线，三维方向图和增益依次如下所示。

       

        图2  1单元仿真vswr结果图

       

        图3  1单元仿真输入阻抗圆图结果图

       

        图4  1单元仿真三维方向图及增益结果图

         

        由仿真可知，3Ghz处的s11幅度为-5.16dB，相位是79.37°，驻波比为3.46，输入阻抗为32.1+50.2j，增益为14.62dB。
         
        接下来的仿真实验就是针对阵列的耦合影响所做的从轴向、横向以及小阵的不同角度进行仿真分析。首先把轴向仿真的结果绘制成表格，如下所示，其中2a代表的是前面放置1单元的2元组阵形式，2b代表的是后面放置1单元的2元组阵形式，8a代表的是前面放置4单元，后面放置3单元的8元组阵形式，8b代表的是前面放置3单元，后面放置4单元的组阵形式。
         
        表1  轴向排列阵列仿真结果汇总表

单元数	S11幅度(dB)	S11相位(度)	驻波比	输入阻抗(欧)	增益(dB)
2a	-5.0	80.23	3.57	30.9+50.4j	12.83
2b	-5.37	79.41	3.34	33.0+49.5j	14.29
3	-5.1	80.16	3.5	31.4+50.0j	12.58
5	-5.13	80.25	3.49	31.5+49.8j	12.15
7	-5.14	80.24	3.48	31.5+49.8j	12.23
8a	-5.14	80.24	3.48	31.5+49.8j	12.23
8b	-5.14	80.24	3.48	31.5+49.8j	12.26

        纵观整张表格，我们可以发现这样几处特点：第一，处于阵列中的阵单元受耦合影响是显然存在的，其中对于s11幅度，驻波比，和增益的影响最大，单元数少时，输入阻抗变化明显，但单元数增多后，输入阻抗变化较小了；第二，同样是2元的阵列时，位于被测天线前的单元对主元有遮挡效应，位于后方的单元对主元有反射效应，但是即使只有反射效应的时候，增益比独立的单元还是低了0.33dB，说明耦合对阵中单元的影响是会降低增益的；第三，当单元数逐渐增大后，被测单元的各项指标已趋于稳定，说明相隔较远的阵元对被测单元的耦合影响逐渐减弱，相隔一个以上单元位置的耦合影响可以忽略不计。总的来说，轴向的耦合影响使被测单元增益降低了约2dB。
         
        下面把横向仿真的结果也绘制成表格，如下表。
        表2  横向排列阵列仿真结果汇总表

单元数	S11幅度(dB)	S11相位(度)	驻波比	输入阻抗(欧)	增益(dB)
2	-5.15	86.77	3.47	28.4+45.2j	14.71
3	-5.11	80.78	3.5	31.0+49.5j	14.58
5	-5.11	80.77	3.5	31.0+49.5j	14.50
7	-5.12	80.79	3.49	31.0+49.5j	14.54
9	-5.12	80.78	3.49	31.0+49.5j	14.52

        这次关于横向阵列的实验仿真我们可以看出与轴向阵列的结果差异较大的几点：第一，增益的变化小了很多，约为0.2dB左右，但与轴向排列不同的是，横向排列时，单元之间是有间距的，间距为1.5个波长，所以互耦的减小大部分原因是由于单元间距的拉开；第二，2单元时候，耦合对相位和输入阻抗的影响很大，而单元数增加后，耦合影响已趋于稳定，这样分析的话整个平面阵的左右外围的两列阵列会受耦合影响较大。
         
        分析完了轴向和横向两个直线方向上的耦合影响后，要综合考虑一下当周围都存在天线单元时，耦合又是如何影响馈电特性的。
        表3  周边排列阵列仿真结果汇总表

单元数	S11幅度(dB)	S11相位(度)	驻波比	输入阻抗(欧)	增益
3	-5.01	80.45	3.56	30.79+50.02j	12.67
4	-5.03	80.58	3.55	30.72+49.55j	12.51
5a	-5.19	80.46	3.47	31.31+49.23j	12.37
5b	-5.2	79.28	3.44	32.28+50.11j	15.20
9	-5.36	78.52	3.34	33.44+49.86j	14.68
15	-5.68	64.4	3.17	44.99+57.99j	14.96
25	-5.21	64.11	3.43	43.10+61.05j	16.41

         
        观察这个表格所汇总的结果，我们可以发现更多的变化和不同，明显可以看出，在此系列仿真中，s11的相位，天线的输入阻抗以及增益都有较大的变化，不再像之前随着单元数目增多，特性趋于稳定了。首先，对于5单元阵列本文由2次不同的仿真，增益的不同值得分析，具体排列方式如下图。

       

        图5  5单元为a型排布示意图

       

        图5  5单元b型排布示意图

        如图3.7所示，当被测单元前后左右方向都有天线单元时，从表3.4所知，其增益只有12.37，比起独立单元的增益14.62，小了2dB，而如图3.8所示，同样是5单元，采用斜线排列时，被测单元增益达到了15.20，比独立时增大了0.6dB。其他s11的幅度相位，输入阻抗的数值相近。这种结果的差异说明了位于轴向上的遮挡效应对于天线单元的增益影响是十分明显的。9单元方阵和15单元阵的增益差别不大，25单元的增益较9单元增大了2dB左右，可以推测出单元数目对被测单元增益的增加不一定有直接关系，而周围圈数的增加，由3*3增加到5*5，才使得被测单元增益上升，综上所述可以推测，在布阵中去除相隔的轴线单元可能会增加增益，即采取稀布阵的方式，随着数目增加，被测单元增益会提高。在组阵的时候，相位的变化趋势是从80度逐渐减到了60度，输入阻抗的实部和虚部都在增大，从30+50j左右变化到40+60j左右。
         
        3  实验测试

        本文是对一款12行*8列，共96个端射天线的阵列做的实时测试。在端射方向上，各个阵单元是挨着排列的，在横向上，馈电振子的间距是1.5 。与仿真设计的阵列结构排布一致。测试条件是被测单元与矢量网络分析仪相连，其余的天线单元用馈源处用同轴线接成匹配状态，因为在仿真中设计的规模最大的是5×5方阵，所以就选取了整个阵列中心处的5×5方阵的结果，均是中心频点3Ghz处测得的各个单元的性能指标，如以下表格所示。
        表4  实测条件下各单元中心频点处s11
        幅度值表（单位：dB）

-6.43	-6.38	-5.7	-5.96	-6.2
-5.1	-5.4	-5	-5.1	-5.5
-6.3	-6.15	-5.5	-6	-6.4
-5.9	5.3	-5.1	-5.6	-5.2
-6.6	-6.5	-5.7	-6	-5.8

        表5  实测条件下各单元中心频点处s11相位值表（单位：度）

62.9	78.3	59.8	56.8	64.5
63.1	64.4	61.7	62.6	59.1
92.6	67.1	55.6	53.5	64
57.6	50.1	53.2	55.3	54.3
67.4	67.4	62.2	62.6	65.1

         
        表6  实测条件下各单元中心频点处驻波比值表

2.8	2.8	3.1	3	2.9
3.5	3.3	3.6	3.5	3.2
2.9	2.9	3.2	3	2.8
3.05	3.4	3.5	3.2	3.4
2.7	2.8	3.2	2.9	3.1

        表7  实测条件下各单元中心频点处输入阻抗的
        电阻值表（单位：欧姆）

48.5	37.1	48.8	53.2	46.3
42.5	43	43.5	43.2	48.5
29.7	44	52.6	57.1	47.6
52.2	58.8	53.8	53.3	52.7
45.5	45.1	46.3	47.6	44.6

        表8  实测条件下各单元中心频点处输入阻抗的电抗值表（单位：欧姆）

53.6	45.4	60.1	60.1	54.2
61.6	58.6	63.2	61.9	61.6
38	52.8	64.1	61.3	53.1
60	69.6	69.1	63.9	67.8
50	50.8	58.7	55.8	55.8

         

        4  结果比较及分析

        将软件仿真中所做的25单元组阵的仿真结果和实验测试中5×5方阵的中心单元的所测数据进行对比，绘制成如下表格。
        表9  25单元阵中心单元各项特性的
           仿真结果与实测结果对比表

	软件仿真	实验测试
S11幅度（dB）	-5.209	-5.5
S11相位（度）	64.113	55.6
驻波比	3.434	3.2
输入阻抗（欧）	43.10+61.05j	52.6+64.1j

        对比两组数据结果，显然比较接近，说明在用软件模拟小阵排列时所计算的结果在一定程度上与实测结果相吻合，仿真所观察到的互耦影响的变化规律是有助于分析实际天线的工作状况。为了进一步比较仿真和实测的互耦变化规律，本文将5×5方阵的中间一列数据提取出来，并且以中心点数据为单位做归一化处理，得到各自的数组并绘制成表，如下所示。
         
        表10  25单元中心列各单元受互耦影响特性变化趋势的仿真结果与实测结果对比表

	软件仿真	实验测试
S11幅度（dB）	0.998 1.025 1 1.094 1.031	1.036 0.909 1 0.927 1.036
S11相位（度）	1.007 1.015 1 1.006 1.015	1.076 1.109 1 0.957 1.118
驻波比	1.002 0.976 1 0.919 0.972	0.969 1.125 1 1.093 1
输入电阻（欧）	0.989 0.995 1 1.042 0.998	0.928 0.827 1 1.023 0.880
输入电抗（欧）	0.993 0.986 1 0.955 0.981	0.938 0.986 1 1.078 0.916

        经过数据统计和分析对比，可以看到，馈电特性的各项指标，仿真的结果变化趋势和实验所测的变化趋势基本一致，但是由于实际测试的阵列与仿真设计的阵列结构有一定的差别，在某些拐点处的偏差还比较大，但通过对比还是较好地验证了仿真分析的准确性，说明了利用软件模拟组阵模型分析互耦影响具有可靠性。
         
        5  结论

        针对相控阵平板端射天线，本文主要做了有关天线单元耦合情况分析的研究，采用了计算仿真与实验测试相结合的方式，在轴向排列，横向排列，周边排列三种不同角度上逐次分析阵中单元的辐射特性变化以及耦合影响的原因，通过实际测试的结果进行对比，验证了计算仿真结果的正确性，同时也发现了一些不如预期的问题。本文还发现了单元处于阵中和处于自由空间条件差异时，s11相位和输入阻抗变化的趋势和规律，为今后做移相器的改进和添加匹配网络提供了实验基础。