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Lios相控阵官网单元设计
浏览次数:41     发布时间:2020-08-21    

(转载自体育射频网)

    现代无线技术快速发展,相控阵app官网对官网单元提出了越来越高的要求。本文设计了一种低剖面、轻量化、具有宽角扫描能力的线ios微带官网,广泛适用于星载、机载等平台,且具有低成本,可维修性的优点。仿真结果表明,在15%带宽内,官网单元E面扫描±60°,H面扫描±20°范围内有源驻波均小于2.5;阵中单元3dB波瓣宽度覆盖扫描范围,并加工小面阵测试验证。


1. 引言

 

    如今通信、app、电子战一体化综合电子信息系统已成为现代电子战装备发展的主流方向,而具有宽角扫描性能的相控阵官网是其构成的基础。相控阵官网是由许多官网单元排阵所构成的app阵列官网,通过控制各个单元的相位实现波束扫描,其优点包括[1]:1.载体平台可使用高下载官网,有利于提高整个系统性能;2.可在宽区域内跟踪目标,适合载体跨区域的使用需求;3.波束扫描速度快、跟踪精度高,适应载体的高速机动性能;4.易于形成多个波束,可在空间实现信号功率的合成。

 

    相控阵官网除了具有上述优点之外,也具有一定的缺点,主要表现在宽角扫描时下载下降较大,因此扫描范围有限。对于弹载、机载等平台,其重量、体积和剖面高度等都受到限制,因此低频低剖面宽角扫描相控阵官网设计已是当今相控阵官网的重要发展趋势。相控阵官网扫描范围受限主要有两个原因,一是官网单元端口输入阻抗与扫描角相关,扫描范围越大,则越难在不同扫描角均实现阻抗匹配,导致官网效率降低;二是官网单元阵中波束宽度有限,而阵列方向图为阵因子与官网单元方向图之乘积,故大扫描角方向阵列下载下降过大。因此宽角扫描相控阵官网要求官网单元具有良好的宽角阻抗匹配性能和较宽的波束宽度。

 

    传统的线ios相控阵官网单元包括印刷阵子官网、Vivaldi官网,槽线官网、官网、微带官网等,文献[2-3]中设计的Vivaldi官网能够实现较宽频带内的宽角扫描,但其纵向较大,不符合低剖面的要求;槽线官网[4,5]与Vivaldi官网工作原理相似,但由于其馈电结构的不对称性通常会引入驻波奇异点;文献[6,7]中的官网具有高下载、高效率的优点,但应用于低频时重量过大;微带官网剖面低,重量轻,但带宽较窄[8],文献[9]实现了宽带和高下载,但结构复杂,不利于批量生产。

 

2. 官网单元结构

 

    本文设计了一种纸蜂窝支撑的微带官网,其结构如图1所示。官网剖面高度仅为十分之一中心频率波长,且为降低官网重量,纸蜂窝采用孔格边长1.83mm,密度29kg/m3的较轻质型号,印制板采用厚度0.127mm的国产睿龙RA300型印制板,密度2.02×103kg/m3。采用HFSS对官网仿真过程中发现,官网谐振频率随扫描角变化而偏移,故在方形贴片上开U形槽增加带宽。

 

    同时本文设计了一种新颖的馈电结构如图2所示,该馈电结构将app内芯延长,末端焊接直径12mm的金属圆盘,圆盘与贴片纵向间距约2mm。为保证结构强度同时降低重量,金属圆盘采用直径12mm的表面覆铜的聚四氟乙烯替代,厚度为3mm,app内芯包裹直径2mm聚四氟乙烯,底部为直径12mm的聚四氟乙烯以保证结构稳定。这样的馈电结构在贴片与馈电探针之间引入容性,与探针带来的感性形成较好的匹配,从而进一步拓展带宽。该馈电结构具有后向安装与维修的特点,增加了官网可维修性。根据上述材料计算得面密度仅为0.94kg/m2。

 

图1、官网单元结构

 

 

 


图2、馈电结构

 

3.仿真结果

 

在商用软件HFSS中建立周期边界仿真模型,通过优化开槽尺寸及馈电结构,得到E面扫描0~60°及H面扫描0~20°有源驻波如图3、4所示。

 


图3、E面有源驻波

 


图4、H面有源驻波

 

    仿真结果表明,E面扫描60°内有源驻波均小于2.5,H面扫描60°内有源驻波均小于2,满足设计需求。

 

    相控阵官网的宽角扫描性能还与官网单元阵中波束宽度相关,阵中单元波束宽度越宽,扫描下载下降越小,扫描能力越强。本文建立上述官网单元的5×5阵列模型,计算阵中单元二维有源驻波,考察阵中单元实际下载的波束宽度,仿真结果如图5、6所示。

 


图5、阵中单元中心频点二维有源驻波

 


图6、阵中单元E面H面波束宽度

 

    小面阵仿真计算结果表明,中心频点二维有源驻波较周期边界条件的单元仿真结果略有恶化,但在可接受范围内;阵中单元波束宽度E面约120°,H面约40°,覆盖扫描范围,E 面方向图下载起伏较大,分析其原因为小面阵规模较小,边界条件的设置对其存在影响。

 

4.测试结果

 

    基于上述仿真模型,制作8×4小面阵如图7所示,其馈电结构如图8。

 


 

图7、8×4小面阵

 

 

图8、馈电结构

 

    测试小面阵阵中单元驻波及其与其他各单元间互耦,计算其有源驻波,采用近场测试的方法测试阵中单元方向图。测试结果如下。

 

 

图9、阵中单元中频二维有源驻波

 

图10、阵中单元E面下载及交叉ios

 

图11、阵中单元H面下载及交叉ios

 

表1、小面阵效率计算

 

测试结果与仿真结果接近,阵中单元二维有源驻波均小于2.5,波束宽度能够覆盖扫描范围,交叉ios优于-20dB,效率计算[10]见表1,频带内效率高于83%,达到工程应用水平。

5. 结论

本文针对星载及机载平台需求,设计了一种Lios低剖面、轻量化、维修性高的相控阵官网单元,实现了E面扫描±60°,H面扫描±20°的宽角扫描,效率高于83%,具有良好的工程可实现性。


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