引言

作為印刷天線(xiàn)家族新成員的復(fù)合空饋陣(CAFA) 天線(xiàn)，將設(shè)計(jì)反射陣和傳輸陣時(shí)的相位補(bǔ)償概念注入Fabry-Perot天線(xiàn)的設(shè)計(jì)中：通過(guò)在蓋板和基板處各自獨(dú)立地補(bǔ)償反射相位，改建了口徑場(chǎng)相位分布的均勻性。其最大優(yōu)點(diǎn)在于避免了傳統(tǒng)空饋反射陣或傳輸陣中饋源高聳的結(jié)構(gòu)缺點(diǎn)，具有波長(zhǎng)量級(jí)的低輪廓。然而，這也限制了CAFA的增益從而限制了其應(yīng)用。作者曾嘗試增加基板-蓋板之間距以提高最高增益的方法，但由于增益和帶寬之間固有的矛盾，當(dāng)峰值增益提高約5 dB時(shí)，其公共頻帶變窄到不足2%. 本文采用先設(shè)計(jì)CAFA作為子陣單元，再由若干子陣組合成大型陣列天線(xiàn)的方案，在保有較寬頻帶的同時(shí)提高了增益。結(jié)構(gòu)上采用正六邊形輪廓的子陣設(shè)計(jì)，在其FSS蓋板和AMC基板上也采用正六邊形的網(wǎng)格布局;用七個(gè)正六邊形的子陣組成蜂窩形的大陣;并且選用層疊式貼片輻射器作為饋源，借以改善波瓣圖的對(duì)稱(chēng)性。經(jīng)仿真分析和優(yōu)選，設(shè)計(jì)出包含了子陣間饋電網(wǎng)絡(luò)的大型CAFA天線(xiàn)，同時(shí)滿(mǎn)足了高增益和寬頻帶的要求。其整體仿真/樣品測(cè)試的性能達(dá)到：峰值增益22.87/22.51 dBi;電壓駐波比≤2.0:1、增益跌落≤-3dB以及副瓣電平≤-15dB的公共頻帶達(dá)8.28/9.63%。其中副瓣電平是全方位、而不限于主平面的。

2 CAFA子陣單元的設(shè)計(jì)

CAFA子陣單元被設(shè)計(jì)成正六邊形以便于按蜂窩狀拼接成大陣。為了同時(shí)獲得寬的阻抗頻帶與旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)的輻射波瓣圖，CAFA子陣的饋源采用了層疊式貼片輻射器(圖1)。為了將阻抗頻帶向低頻端擴(kuò)展以適應(yīng)與增益頻帶的疊合，在位于基板中央、尺寸為(l f ´ w f)的下層矩形貼片上開(kāi)了一條垂直于極化方向的窄縫，尺寸為(lS ´ wS)。為了增強(qiáng)波瓣圖的旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)性，添加了一片尺寸為(lp ´ wp)的上層寄生貼片，其中心相對(duì)于下層貼片中心沿極化方向有doffset的偏移量。上層貼片的基板尺寸為(l up ´ w up)，與下層貼片間距hp，通過(guò)位于其兩窄邊下方的矩形塑料墊片支撐。饋點(diǎn)與下貼片邊緣的距離為fy。

圖1 CAFA子陣單元饋源的結(jié)構(gòu)圖

組裝好的CAFA子陣單元(圖2)包含饋源、基板和蓋板?；逯醒氲酿侂娰N片周?chē)鷩蠥MC單元，它們是5圈周期皆為PAMC的、按正六邊形輪廓排列的正方形貼片，每一圈的貼片邊長(zhǎng)相等但從內(nèi)圈到外圈按{d j}遞增。在FSS蓋板的下表面，8圈周期皆為PFSS的正方形貼片單元、也按正六邊形輪廓排列，每一圈的貼片邊長(zhǎng)相等但從內(nèi)圈到外圈按{e i}遞減。蓋板和含接地板之基板都有邊長(zhǎng)為R的正六邊形輪廓、厚度為h，基板-蓋板相距hc，所有介質(zhì)板材的相對(duì)介電常數(shù)皆為2.2。CAFA子陣單元的結(jié)構(gòu)參數(shù)值歸納于表1。

(a)基板上表面的AMC與饋源

(b)蓋板下表面的FSS

(c) 組裝好的CAFA子陣單元前視圖

圖2 CAFA子陣單元的結(jié)構(gòu)圖 表1 CAFA子陣單元的結(jié)構(gòu)尺寸(mm)

3 陣列天線(xiàn)的組裝

此陣列天線(xiàn)(圖3)包含按蜂窩型排列的7個(gè)相同的CAFA子陣單元(中間一個(gè)，周?chē)鶄€(gè))，其基板/蓋板/寄生貼片都是分別加工后組裝的。

(a) 陣列天線(xiàn)基板上的AMC和饋源

(b) 陣列天線(xiàn)蓋板下表面的FSS

(c) 組裝好的陣列天線(xiàn)

圖3 不包含饋電網(wǎng)絡(luò)的陣列天線(xiàn)原型

由于該陣列天線(xiàn)在CST2006B中過(guò)于龐大，直接通過(guò)掃描參數(shù)來(lái)尋找實(shí)現(xiàn)最寬公共頻帶的中間單元/周邊單元饋電幅度比顯然不切實(shí)際。改用波瓣圖乘法定理作簡(jiǎn)化處理。由此得出的最佳饋電幅度比為0.42，該值成為饋電網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)目標(biāo)。 饋電網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)

饋電網(wǎng)絡(luò)含有6個(gè)Wilkinson功分器[(一個(gè)2:1功率分配，五個(gè)1:1等功率分配)。輸入功率首先經(jīng)過(guò)第一級(jí)功分器被等功率分配成兩路相等的輸出功率，其中一路直接饋給中間的子陣，而另一路在經(jīng)過(guò)第二至第四級(jí)功分器后被均分成六份，分別饋給周邊六個(gè)子陣。

通過(guò)在所需頻帶內(nèi)的整體仿真的檢驗(yàn)，各子陣輸入端的電壓比在0.488:1到0.357:1之間不等，與所要求比值的0.42:1存在為16.2%的幅度誤差;并且各輸入端的最大相位偏差為40.4o，基本實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)目標(biāo)。

圖4 饋電網(wǎng)絡(luò)的仿真模型

5 仿真及測(cè)試結(jié)果

該天線(xiàn)的整體仿真/樣品測(cè)試結(jié)果繪于圖5和圖6。圖5中的公共頻帶BWcomm= 9.63/8.28 %內(nèi),電壓駐波比≤2.0:1、增益跌落≤-3 dB、副瓣電平≤-15 dB;最高增益為Gpeak=22.87/22.51 dBi，對(duì)應(yīng)了口徑效率hpeak=37.7/34.7 %(詳見(jiàn)表2)。圖6示例10 GHz時(shí)一組典型的E面與H面波瓣圖。以上結(jié)果證實(shí)了設(shè)計(jì)思路的合理性。

6 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的陣列天線(xiàn)可以同時(shí)獲得高增益和寬頻帶，它包含7個(gè)按蜂窩形排列的正六邊形CAFA子陣單元。從中間單元向周邊單元的錐銷(xiāo)幅度饋電減小了輻射波瓣圖的副瓣電平，但付出了口徑效率下降的代價(jià)。

圖5 回波損失、增益及副瓣電平的頻響曲線(xiàn)

表2 陣列天線(xiàn)原型的性能

圖6 10 GHz時(shí)典型平面的輻射波瓣圖