楊亞兵 趙迎超 李緒平 田 江

(西安電子工程研究所 西安 710100)

0 引言

微帶天線具有低剖面、重量輕、易共形等優(yōu)點(diǎn)，且易與有源器件、電路集成，適合規(guī)模化生產(chǎn)，可以有效地降低系統(tǒng)成本。因此，在雷達(dá)、電子對(duì)抗、衛(wèi)星通信等領(lǐng)域，微帶天線得到了廣泛地應(yīng)用。然而，普通微帶天線主要缺點(diǎn)是工作頻帶較窄，這在一定程度上又限制了其應(yīng)用。另外，低副瓣天線設(shè)計(jì)是目前陣列天線設(shè)計(jì)的熱點(diǎn)和難點(diǎn)，是實(shí)現(xiàn)高性能雷達(dá)亟需解決的關(guān)鍵技術(shù)之一。微帶天線易于組陣，其饋電網(wǎng)絡(luò)形式靈活，采用微帶天線作為陣元設(shè)計(jì)低副瓣陣列天線是比較常見的形式［1］。

陣列天線的工作帶寬、增益、波束寬度以及副瓣電平等指標(biāo)在很大程度上決定了整個(gè)系統(tǒng)的技戰(zhàn)術(shù)性能，而這些指標(biāo)又是相互關(guān)聯(lián)的，在工程設(shè)計(jì)時(shí)需要折衷考慮。基于此，本文提出了一種寬帶低副瓣微帶陣列天線的設(shè)計(jì)方法。單元天線采用底饋矩形貼片，通過建立互耦環(huán)境來修正設(shè)計(jì)參數(shù)、優(yōu)化貼片尺寸，改善了天線帶寬特性。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了16 ×16 低副瓣微帶陣列天線并對(duì)其進(jìn)行了仿真分析。設(shè)計(jì)結(jié)果表明，在所要求的9.5GHz ～10.5GHz頻段內(nèi)，該陣列天線電壓駐波比小于1.6，增益大于27.5dB，方位面與俯仰面副瓣電平均優(yōu)于25dB?？梢?，該微帶陣列天線具有10%以上的工作帶寬，且具有低副瓣特性。

1 理論計(jì)算

一般地，陣列天線低副瓣特性的實(shí)現(xiàn)主要方法是密度加權(quán)或者口徑幅度加權(quán)［2］。本文設(shè)計(jì)的低副瓣微帶陣列天線采用Taylor 口徑幅度加權(quán)。設(shè)計(jì)過程中，在保證陣列天線增益的基礎(chǔ)上，通過設(shè)計(jì)微帶不等幅饋電網(wǎng)路來滿足陣面幅度分布以實(shí)現(xiàn)陣列低副瓣特性。

為了實(shí)現(xiàn)兩維低副瓣特性，采用矩形陣列形式進(jìn)行Taylor 面陣綜合。通常，矩形陣列天線的方向圖綜合可視為沿方位與俯仰兩個(gè)方向的線陣方向圖綜合，其電流分布可以通過Taylor 線源的離散化得到［3］。為了簡(jiǎn)化起見，以方位面為研究對(duì)象來綜合陣列天線口面幅度分布。對(duì)于方位面，各個(gè)單元同相饋電且幅度呈對(duì)稱Taylor 分布。

已知線源離散單元數(shù)為16，間距為21mm，取等副瓣數(shù)為3，設(shè)計(jì)指標(biāo)要求副瓣電平優(yōu)于22dB。要實(shí)現(xiàn)指標(biāo)要求的副瓣電平，對(duì)于每個(gè)單元的饋電幅度和相位要求相對(duì)較高。為了保留一定的設(shè)計(jì)余量，副瓣電平的設(shè)計(jì)初值定為-28dB 來進(jìn)行綜合。利用MATLAB 計(jì)算得到的各個(gè)單元?dú)w一化幅度分布如圖1所示。

圖1 電流分布理論計(jì)算結(jié)果

2 天線設(shè)計(jì)

微帶陣列天線的設(shè)計(jì)主要包括天線陣面布局設(shè)計(jì)，陣面幅相分布，單元天線設(shè)計(jì)，饋電網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)以及整陣設(shè)計(jì)等。

2．1 單元天線設(shè)計(jì)

圖2 為本文所提出的單元天線結(jié)構(gòu)示意圖?？梢?，單元天線選用微帶貼片形式，其饋電方式為探針底饋，并且微帶饋線與輻射貼片共用地板。通常可以采用低介電常數(shù)的介質(zhì)基板，增大基板厚度等方法來降低Q 值，從而拓寬微帶天線的工作帶寬。但是，采用低介電常數(shù)的厚介質(zhì)基板會(huì)使天線表面波損耗增大，不利于輻射效率。

圖2 單元天線結(jié)構(gòu)示意圖

綜合考慮，本文采用厚度為2.5mm，介電常數(shù)為2.65 的聚四氟乙烯作為天線的介質(zhì)基板。微帶饋線基板選用與天線相同的材料，其厚度為1mm。另外，設(shè)計(jì)中適當(dāng)?shù)卣{(diào)整輻射邊的尺寸使貼片呈長(zhǎng)條形結(jié)構(gòu)可以有效地展寬單元天線的阻抗帶寬。

圖3 單元天線電壓駐波比曲線

采用Ansoft HFSS 對(duì)單元天線進(jìn)行了建模仿真分析，圖3 為單元天線電壓駐波比曲線?？梢?，在要求的9.5GHz ～10.5GHz 頻段內(nèi)，所設(shè)計(jì)的單元天線電壓駐波比小于1.8，其阻抗帶寬大于10%。

處于陣列環(huán)境中，單元天線間互耦效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致其輸入阻抗特性發(fā)生變化，使天線與饋線之間失配，從而造成陣列增益下降、帶寬變窄或者頻帶偏移等不利影響。考慮到上述因素，建立一個(gè)3 ×3 面陣仿真模型，創(chuàng)建邊界條件來模擬陣列環(huán)境，如圖4所示。修正設(shè)計(jì)參數(shù)優(yōu)化貼片尺寸，以陣列正中心單元(5 號(hào)單元)帶寬為設(shè)計(jì)目標(biāo)，在考慮互耦影響下進(jìn)一步改善天線帶寬特性。

圖4 模擬面陣結(jié)構(gòu)示意圖(3 ×3)

2．2 饋電網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

陣列天線的單元數(shù)目、單元間距以及口徑分布在設(shè)計(jì)初始階段已確定，陣列各輻射單元所要求的激勵(lì)幅度和相位主要通過饋電網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)。饋電網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)原則是保證各陣列單元所要求的激勵(lì)幅度和相位，以便形成所要求的輻射方向圖。因此，對(duì)饋電網(wǎng)絡(luò)要求輸入阻抗匹配良好、較小的饋電損耗、較寬的工作頻帶和簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)等［4］。

陣列天線的饋電網(wǎng)絡(luò)形式主要有并聯(lián)饋電和串聯(lián)饋電兩種形式，也有這兩種形式的組合。本文采用并聯(lián)饋電方式對(duì)各陣元饋電，利用不等幅功分器組成多級(jí)網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)所需要的幅度分布。采用的T型不等幅功分器示意圖如圖5所示，圖中Port1 為輸入端口，Port2 和Port3 為不等幅輸出端口［5］。

圖5 T 型不等幅功分器示意圖

由于Taylor 分布具有對(duì)稱性，所以只需要設(shè)計(jì)第一象限8 ×8 單元的網(wǎng)絡(luò)，而整陣饋電網(wǎng)絡(luò)可通過鏡像處理。對(duì)于第一象限網(wǎng)絡(luò)可逐級(jí)設(shè)計(jì)，上一級(jí)網(wǎng)絡(luò)完成以后再設(shè)計(jì)下一級(jí)，保證每一級(jí)網(wǎng)絡(luò)特性最優(yōu)。這樣的設(shè)計(jì)，過程簡(jiǎn)單可控且一致性好。最終設(shè)計(jì)的第一象限饋電網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如上圖6所示。

圖6 第一象限饋電網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

2．3 陣列天線設(shè)計(jì)

饋電網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)完成以后，將16 ×16 單元天線與饋電網(wǎng)絡(luò)集成就可以得到所要求的陣列天線。陣列天線結(jié)構(gòu)如圖7所示，其整體結(jié)構(gòu)尺寸為336mm ×336mm × 3.5mm。整個(gè)陣列天線結(jié)構(gòu)中，微帶貼片位于頂層，饋電網(wǎng)絡(luò)位于底層，而中間層為地板。地板為微帶貼片與饋電網(wǎng)絡(luò)所共有，饋電網(wǎng)絡(luò)通過金屬探針與頂層輻射單元相連。

圖7 陣列天線結(jié)構(gòu)示意圖

地板位于中間層，即在微帶貼片介質(zhì)基板與饋電網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)基板之間。為了便于饋電，本文采用了一種新的饋電轉(zhuǎn)接結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)如圖8所示，其相當(dāng)于共面波導(dǎo)與微帶線過渡形式，這兩者之間通過金屬化孔連接。SMA 連接器的金屬探針與共面波導(dǎo)相連，而共面波導(dǎo)位于中間地板層。SMA 法蘭盤與類“十字形”金屬地相連，該金屬地與饋電網(wǎng)路均位于底層。

圖8 共面波導(dǎo)-微帶線過渡結(jié)構(gòu)示意圖

在合理的設(shè)計(jì)陣列布局以及饋電結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，對(duì)整陣電性能進(jìn)行了仿真分析，具體的仿真分析結(jié)果如下面圖9、圖10所示。

圖9 為陣列天線電壓駐波比隨頻率變化曲線?？梢?，在要求的9.5GHz ～10.5GHz 頻段內(nèi)，微帶陣列天線電壓駐波比小于1.6，其阻抗帶寬大于10%，滿足指標(biāo)要求。

圖9 陣列天線電壓駐波比

圖10 為陣列天線方位面與俯仰面歸一化輻射方向圖，可見，頻帶內(nèi)陣列天線副瓣電平均優(yōu)于25dB，達(dá)到了設(shè)計(jì)目的。仿真結(jié)果與設(shè)計(jì)目標(biāo)存在一定差異，但是處。范圍之內(nèi)。

圖11 為工作頻段內(nèi)陣列天線增益仿真結(jié)果，可見其帶內(nèi)增益大于27.5dB，且增益起伏平緩。頻率為10.1GHz 處天線增益略有下降，這主要是該頻點(diǎn)處電壓駐波比較大所致。同時(shí)，根據(jù)天線口徑面與增益、效率之間的關(guān)系，可近似估算得到該陣列天線在工作頻帶內(nèi)效率大于45%。

圖10 陣列天線方向圖

圖11 陣列天線增益

3 結(jié)論

本文提出了一種寬帶低副瓣微帶陣列天線的設(shè)計(jì)方法，依此設(shè)計(jì)了16 ×16 低副瓣微帶陣列天線。設(shè)計(jì)結(jié)果表明，在所要求的9.5GHz ～10.5GHz 頻段內(nèi)，該陣列天線電壓駐波比小于1.6，增益大于27.5dB，方位面與俯仰面副瓣電平均優(yōu)于25dB?？梢?，該微帶陣列天線具有10%以上的工作帶寬且具有低副瓣特性。因此，本文所提出的設(shè)計(jì)方法具有一定的工程應(yīng)用價(jià)值。

［1］段文濤，魏宏亮，李思敏.低旁瓣十六元縫隙微帶天線陣的設(shè)計(jì)［J］.電子科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，27(6):441-444.

［2］張海磊，劉玉杰.低副瓣雙波束微帶陣列天線［J］.遙測(cè)遙控，2009，30(6):25-30.

［3］薛正輝，李偉明，任武.陣列天線分析與綜合［M］.北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2011.

［4］劉新瓊，楊林，雷娟.S 波段大型功分饋電網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)［J］.空間電子技術(shù)，2010，1:101-103.

［5］張肇儀，周樂柱，吳德明等譯.微波工程［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2006.