平板端射天线阵馈电特性的研究

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

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