平板端射天線陣饋電特性的研究

1引言

陣列天線在現今的通信、雷達等領域有著廣泛的應用，在實際工作中，陣列天線的每一個天線單元都是開放型電路，各單元之間并不是完全隔離的而是存在著互耦。互耦是天線陣，尤其是小間距天線陣和大型天線陣天線綜合中的一個關鍵性問題，對設備的系統性的優劣具有決定性作用。互耦問題的存在會影響天線的輻射性能。一般來說，互耦使饋入某一天線能量的一部分被其他天線單元所吸收，因而整個陣列天線系統輻射性能就會下降。因此人們一直在尋找去除耦合的有效途徑，如增大單元間距，或者改變陣列的結構形式等方法。然而互耦作為一種物理現象是不可能完全消除的，它或多或少地存在于天線單元之間，因此有必要弄清互耦對陣列天線饋電特性的影響，從而為抑制或補償單元在陣列中的互偶效應奠定理論和實驗的基礎。

現階段，國內外對于陣列天線的互耦研究一般以微帶陣，喇叭陣，側射陣和算法居多，在端射天線陣的互耦方面，很少見到公開報道。

本文通過軟件仿真，研究了互耦對端射天線陣列饋電特性的影響，并對實際工作的平板端射天線陣的每一單元逐個測試，對比仿真和實測的結果，驗證了仿真情況下獲得的饋電特性和阻抗特性的變化規律。

2計算仿真

圖1所示是仿真系統下建立的一個平板端射天線單元的模型。

圖1單個平板端射天線模型

該天線采用的是同軸線饋電的方式，工作頻點為3Ghz，設置的仿真頻段范圍是2.5~3.5Ghz，邊界條件設置為自由空間。通過運算后，得到s11幅度及相位的數據，駐波比曲線，輸入阻抗曲線，三維方向圖和增益依次如下所示。

圖21單元仿真vswr結果圖

圖31單元仿真輸入阻抗圓圖結果圖

圖41單元仿真三維方向圖及增益結果圖

由仿真可知，3Ghz處的s11幅度為-5.16dB，相位是79.37°，駐波比為3.46，輸入阻抗為32.1+50.2j，增益為14.62dB。

接下來的仿真實驗就是針對陣列的耦合影響所做的從軸向、橫向以及小陣的不同角度進行仿真分析。首先把軸向仿真的結果繪制成表格，如下所示，其中2a代表的是前面放置1單元的2元組陣形式，2b代表的是后面放置1單元的2元組陣形式，8a代表的是前面放置4單元，后面放置3單元的8元組陣形式，8b代表的是前面放置3單元，后面放置4單元的組陣形式。

表1軸向排列陣列仿真結果匯總表

縱觀整張表格，我們可以發現這樣幾處特點：第一，處于陣列中的陣單元受耦合影響是顯然存在的，其中對于s11幅度，駐波比，和增益的影響最大，單元數少時，輸入阻抗變化明顯，但單元數增多后，輸入阻抗變化較小了；第二，同樣是2元的陣列時，位于被測天線前的單元對主元有遮擋效應，位于后方的單元對主元有反射效應，但是即使只有反射效應的時候，增益比獨立的單元還是低了0.33dB，說明耦合對陣中單元的影響是會降低增益的；第三，當單元數逐漸增大后，被測單元的各項指標已趨于穩定，說明相隔較遠的陣元對被測單元的耦合影響逐漸減弱，相隔一個以上單元位置的耦合影響可以忽略不計?？偟膩碚f，軸向的耦合影響使被測單元增益降低了約2dB。