(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所孔徑陣列與空間探測(cè)安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 安徽合肥 230088)

0 引言

隨著相控陣?yán)走_(dá)和通信系統(tǒng)的快速發(fā)展，對(duì)相控陣天線性能的要求越來越高。特別是基于機(jī)載、無人機(jī)載、彈載和星載等平臺(tái)的相控陣?yán)走_(dá)，除了要求相控陣天線具有寬頻帶、寬角掃描、高效率的性能，還要求天線具有小體積、輕重量和高集成度的特點(diǎn)。開口波導(dǎo)天線由于具有體積小、結(jié)構(gòu)緊湊、機(jī)械強(qiáng)度好、可靠性高、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，并且在波導(dǎo)內(nèi)腔加載饋電單脊或雙脊可以擴(kuò)展工作帶寬，同時(shí)縮小腔體尺寸，減輕重量，因此成為上述相控陣?yán)走_(dá)天線的優(yōu)選方案之一[1-3]。

由于器件不一致性、制造公差、裝配誤差等多種原因，相控陣天線系統(tǒng)的各通道之間必然存在幅度和相位誤差，所以需要對(duì)各通道的幅相分布進(jìn)行校正補(bǔ)償[4-5]，使整個(gè)相控陣天線系統(tǒng)達(dá)到設(shè)計(jì)要求的最佳技術(shù)狀態(tài)。因此，校正是相控陣天線不可或缺的重要功能。而在雷達(dá)工作時(shí)，由于器件老化、熱變形和組件更換等因素也會(huì)帶來通道間的幅相誤差，為確保相控陣天線性能的可靠性和穩(wěn)定性，還需要對(duì)相控陣天線系統(tǒng)進(jìn)行必要的實(shí)時(shí)校正，這就要求相控陣天線具有內(nèi)校正功能。

然而，對(duì)于寬帶寬角掃描的平面陣列天線，受最大掃描角時(shí)方向圖不出現(xiàn)柵瓣的限制，對(duì)天線單元間距有特定的要求。特別是對(duì)于工作在較高頻段、二維大角度掃描的陣列天線，例如工作在Ku頻段、二維掃描范圍±60°的陣列天線，其單元間距僅為幾個(gè)毫米。這么小的單元間距對(duì)相控陣天線的集成度設(shè)計(jì)提出了很高的要求，而在小單元間距天線中集成內(nèi)校正通道更成為相控陣天線設(shè)計(jì)和加工的難點(diǎn)。

為了實(shí)現(xiàn)高頻寬帶工作、二維寬角掃描、輕小型化且具有內(nèi)校正功能的相控陣天線陣列，本文設(shè)計(jì)了一種集成內(nèi)校正通道的Ku波段一體化開口脊波導(dǎo)陣列天線。該天線采用底部同軸連接器饋電，可實(shí)現(xiàn)寬帶二維寬角掃描，并在開口波導(dǎo)底部設(shè)置耦合槽和校正波導(dǎo)，實(shí)現(xiàn)了集成內(nèi)校正通道的一體化天線設(shè)計(jì)。

1 天線設(shè)計(jì)

為了滿足某雷達(dá)方位向±60°、俯仰向±60°的二維寬角掃描要求，根據(jù)矩形柵格天線單元間距的計(jì)算公式(1)[6]，天線單元間距定為9 mm(方位向)×9 mm(俯仰向)。在該單元間距內(nèi)要求天線在Ku波段具有2 GHz的工作帶寬，并具備內(nèi)校正功能，這就要求天線具有很高的集成度。

(1)

式中，λ為天線的最小工作波長(zhǎng)，θmax為天線偏離陣面法向的最大掃描角，N為該方向的天線單元數(shù)。

為了適應(yīng)惡劣的雷達(dá)工作環(huán)境，本天線形式選用機(jī)械強(qiáng)度好、可靠性高、使用壽命長(zhǎng)的開口波導(dǎo)，其結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。為了擴(kuò)展天線的工作帶寬并充分壓縮開口波導(dǎo)的腔體截面尺寸以滿足單元間距的要求，在開口波導(dǎo)前后兩壁設(shè)置兩個(gè)方形脊。天線單元由開口波導(dǎo)底部的同軸連接器饋電，在其中一個(gè)脊上設(shè)置階梯狀的過渡匹配段，以實(shí)現(xiàn)同軸線與脊波導(dǎo)之間基模的轉(zhuǎn)換。通過調(diào)整波導(dǎo)脊和過渡匹配段各階梯結(jié)構(gòu)的尺寸，可以改變開口波導(dǎo)天線的輻射阻抗使其與空間波傳輸阻抗匹配；由于過渡匹配段為漸變的階梯狀結(jié)構(gòu)，可以使天線的輻射阻抗變化比較平緩，從而具有寬帶工作性能，且容易加工制造。在相鄰兩個(gè)開口波導(dǎo)天線的公共壁上設(shè)置扼流槽(扼流槽深度為自由空間中心波長(zhǎng)的四分之一)，以抵消面電流，減小相鄰天線單元之間的互耦，從而提高天線的寬角掃描性能。

圖1 開口波導(dǎo)天線結(jié)構(gòu)模型圖

校正波導(dǎo)設(shè)置于相鄰兩列天線單元中間的下方，采用脊波導(dǎo)形式以壓縮尺寸。在每個(gè)開口波導(dǎo)底部的側(cè)邊設(shè)置耦合槽，使開口波導(dǎo)天線和校正波導(dǎo)連通，天線的一小部分射頻功率將耦合到校正波導(dǎo)中，形成陣列天線的內(nèi)校正通道。校正波導(dǎo)兩端設(shè)置同軸連接器，實(shí)現(xiàn)波導(dǎo)同軸變換功能，提供內(nèi)校正信號(hào)的輸入輸出接口。相鄰兩列天線單元的耦合槽對(duì)稱設(shè)置，則一條校正波導(dǎo)通過兩列耦合槽與相鄰的兩列天線單元連通，可以作為相鄰兩列天線單元的校正通道，從而使小單元間距的相控陣天線具有內(nèi)校正功能。

由于單元間距很小，如果采用常規(guī)設(shè)計(jì)，則沒有足夠的空間用于布局校正波導(dǎo)。為了解決此問題，將開口脊波導(dǎo)天線的饋電連接器偏離中心設(shè)置，且相鄰兩列天線的連接器對(duì)稱設(shè)置，為校正波導(dǎo)讓出足夠的空間。則校正波導(dǎo)和饋電連接器在平面上交錯(cuò)排列，合理布局，結(jié)構(gòu)緊湊，不需要額外增加天線的整體剖面高度，實(shí)現(xiàn)了高集成度的一體化設(shè)計(jì)。開口波導(dǎo)天線的饋電連接器偏置可能會(huì)在同軸波導(dǎo)變換處引起額外的高次模，但只要開口波導(dǎo)天線具備一定的高度，高次模將迅速衰減，不會(huì)向空間輻射。天線的饋電連接器采用SMP形式，可以和后端的有源模塊(如T/R組件等)直接盲配互連，采用去電纜化設(shè)計(jì)，使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，同時(shí)減小饋線損耗，可以提高天線效率和系統(tǒng)集成度。

2 仿真及測(cè)試結(jié)果

在上述天線單元設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了8×8單元的一體化開口脊波導(dǎo)天線小陣，通過高頻電磁仿真軟件HFSS對(duì)天線單元和陣列進(jìn)行了建模和仿真優(yōu)化設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)和制造出的集成內(nèi)校正通道的一體化開口脊波導(dǎo)天線陣面如圖2所示，采用多層鋁板分別數(shù)控加工再整體真空釬焊的工藝方式，其截面尺寸約為100 mm×100 mm(含結(jié)構(gòu)安裝框架)，其剖面高度約為22 mm(含SMP連接器和校正波導(dǎo))，可滿足雷達(dá)系統(tǒng)的實(shí)際使用要求。

圖2 天線陣面實(shí)物照片

天線單元帶內(nèi)電壓駐波比的仿真和測(cè)試結(jié)果如圖3所示，由于工作頻段較高，對(duì)尺寸公差比較敏感，受加工制造誤差的影響，實(shí)測(cè)結(jié)果與仿真曲線相比略有抬高，趨勢(shì)基本吻合。在2 GHz工作帶寬內(nèi)的駐波小于1.8，在14.95～17.15 GHz帶寬內(nèi)的駐波小于2，相對(duì)帶寬約為14%。內(nèi)校正通道耦合度的測(cè)試結(jié)果如圖4所示，工作帶寬內(nèi)的校正耦合度為-36～-40dB，與仿真結(jié)果相吻合，滿足實(shí)際使用要求。

圖3 天線單元駐波曲線

圖4 校正耦合度測(cè)試曲線

在室內(nèi)平面近場(chǎng)暗室中，對(duì)該天線陣面的輻射方向圖進(jìn)行了測(cè)試，采用均勻加權(quán)的陣面幅度分布，其中心頻率16 GHz在方位和俯仰兩個(gè)主面的典型方向圖如圖5所示。由于方位向和俯仰向的單元間距和單元數(shù)相同，因此兩個(gè)方向的方向圖基本相同。其法向方向圖的副瓣電平小于-12.5 dB，3 dB波束寬度約為12.5°；測(cè)得天線陣面增益約為21.8 dB，與天線方向性系數(shù)相比較可計(jì)算出的天線輻射效率為81.7%。

同時(shí)，分別測(cè)試了方位向和俯仰向掃描30°，45°，60°的方向圖，如圖5所示，驗(yàn)證了本天線具有二維掃描±60°的能力。由于本天線陣面的單元數(shù)較少，容差能力較弱，因此在大角度掃描時(shí)波束較寬且略有變形，同時(shí)副瓣電平有所抬高(不大于-10 dB)。受天線單元因子的調(diào)制作用，在大角度掃描時(shí)，波束指向略往法向偏移；在對(duì)波束指向精度要求高的場(chǎng)合應(yīng)用時(shí)，該偏移可以在暗室測(cè)試時(shí)通過相位補(bǔ)償?shù)姆椒ㄊ共ㄊ赶虻玫叫拚?/p>

(a)方位向方向圖

(b)俯仰向方向圖圖5天線陣面方向圖測(cè)試結(jié)果(頻率16 GHz)

3 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了一種集成內(nèi)校正通道的Ku波段一體化開口脊波導(dǎo)陣列天線，采用包含漸變階梯狀過渡匹配段的開口脊波導(dǎo)形式，充分壓縮其截面尺寸，實(shí)現(xiàn)了寬帶、二維寬角掃描的工作性能；并將饋電連接器偏離中心設(shè)置，在開口脊波導(dǎo)的底部設(shè)置耦合槽以及校正波導(dǎo)，在小單元間距的陣列天線中集成了內(nèi)校正通道，使其具有了內(nèi)校正功能，實(shí)現(xiàn)了一體化的高集成度設(shè)計(jì)。仿真和實(shí)測(cè)結(jié)果表明該天線駐波小于2的相對(duì)帶寬約為14%，實(shí)現(xiàn)了方位向和俯仰向±60°的二維寬角掃描，天線輻射效率優(yōu)于80%。本天線具有結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、重量輕、機(jī)械強(qiáng)度好、可靠性高、使用壽命長(zhǎng)的優(yōu)點(diǎn)，特別是其集成度高，可以有效提高平臺(tái)利用率，適合作為機(jī)載、無人機(jī)載、彈載和星載等平臺(tái)的相控陣天線。

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