梁宇宏

(中國西南電子技術(shù)研究所，成都 610036)

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L頻段共形相控陣天線研制*

梁宇宏**

(中國西南電子技術(shù)研究所，成都 610036)

摘要：為滿足機(jī)載系統(tǒng)的需要，給出了共形相控陣天線的分析和設(shè)計過程，同時研制了一種高度僅為0.14波長的準(zhǔn)八木天線單元。利用三維電磁仿真軟件HFSS對天線單元和共形相控陣進(jìn)行了仿真設(shè)計，并研制了一套L頻段共形相控陣天線。該天線由天線陣面、波束形成網(wǎng)絡(luò)和波控器等構(gòu)成。天線陣面由4個天線單元組成，共形安裝在機(jī)頭上。經(jīng)實際測試，共形相控陣天線陣面的和波束在掃描范圍內(nèi)增益大于10 dBi，并具有較低的副瓣電平；差波束零深小于-20 dB。

關(guān)鍵詞：機(jī)載天線；L頻段；共形相控陣；準(zhǔn)八木天線

1引言

相控陣天線采用電子方法實現(xiàn)天線波束指向在空間掃描，具有波束快速掃描、波束形狀快速變化及空間功率合成能力，越來越廣泛應(yīng)用于各種雷達(dá)系統(tǒng)中[1]。針對一些高速運(yùn)動載體的應(yīng)用，考慮空氣動力學(xué)因素，相控陣天線必須與載體共形安裝。近年來共形相控陣已經(jīng)成為天線專業(yè)領(lǐng)域研究的熱點：文獻(xiàn)[2]和文獻(xiàn)[3]分別介紹了一種用于衛(wèi)星通信的Ku頻段機(jī)載共形相控陣天線和一種用于雷達(dá)系統(tǒng)的圓錐共形相控陣天線。

為滿足一種機(jī)載系統(tǒng)的需要，本文研制了一種與機(jī)頭上部位置共形安裝的相控陣天線。天線極化方式為垂直極化，在機(jī)頭正對方向形成和差波束，并且要求和波束具有較高的增益和較低的副瓣，同時差波束形成較深的零深。由于共形陣列天線單元安裝于機(jī)頭表面，在保證電性能的同時，需要對天線單元進(jìn)行小型化設(shè)計，特別是需要盡量減少天線單元的高度尺寸。由于微帶貼片形式的準(zhǔn)八木天線具有結(jié)構(gòu)簡單、增益較高以及體積小、易于集成制作的優(yōu)點[4-5]，因此，本文結(jié)合共形相控陣天線的具體需求設(shè)計了一種高度僅約為0.14波長的準(zhǔn)八木天線單元。

2天線的組成

天線單元安裝在機(jī)頭上部位置，與飛機(jī)機(jī)頭共形安裝，模型示意圖如圖1所示。綜合考慮詢問天線指標(biāo)和安裝平臺的局限性，選擇由4個天線單元構(gòu)成天線陣面。天線單元等間距排布在機(jī)頭圓周弧面上，圓周半徑約為480 mm,并且此弧面平臺與機(jī)頭正對方向(即+Y軸)成15°夾角。天線單元間距約為140 mm，相鄰兩天線單元的夾角約為15.94°。

圖1　共形相控陣天線模型示意圖

L頻段相控陣天線由天線陣面和天線接口單元(Antenna Interface Unit，AIU)構(gòu)成。AIU主要由兩部分構(gòu)成，包括波束形成網(wǎng)絡(luò)、波控器及電源,其中，波束形成網(wǎng)絡(luò)由和差器、功分網(wǎng)絡(luò)和移相器構(gòu)成。L頻段相控陣天線系統(tǒng)組成和設(shè)計原理框圖如圖2所示。

圖2　天線組成原理框圖

天線開啟工作時，需要外部電源設(shè)備給相控陣天線供電。天線電源模塊將其變壓轉(zhuǎn)換后，對天線內(nèi)各模塊供電。

在發(fā)射狀態(tài)時，根據(jù)主機(jī)傳過來的方位信息設(shè)置移相器控制碼參數(shù)。從發(fā)射機(jī)傳來的高頻信號由和通道饋入天線，再通過和差器均分成左右兩個部分，左右兩部分信號經(jīng)過各自的功分網(wǎng)絡(luò)分成多路信號經(jīng)移相器處理，再饋入天線陣各單元向空間輻射。通過改變移相器的控制碼可把信號輻射到指定的方向上，在空間實現(xiàn)發(fā)射信號功率的合成。

在接收狀態(tài)時，根據(jù)主機(jī)傳過來的方位設(shè)置移相器控制碼參數(shù)。不同方向上來的高頻信號在每個輻射單元上激勵起不同的電流，此電流通過功分網(wǎng)絡(luò)合成兩路高頻信號，此高頻信號通過和差器后形成和信號和差信號，再分別通過和、差通路傳到接收機(jī)進(jìn)行信號處理。通過改變移相器的控制碼可接收相應(yīng)方向上傳來的射頻信號。

3共形天線的分析

天線單元等間距排布在機(jī)頭圓周弧面上。令N個天線單元安裝在一個曲面上，第i個天線單元在陣中的坐標(biāo)定義如圖3所示，第i個天線單元的位置矢量為ΔRi。

圖3　天線單元在陣中的坐標(biāo)定義

第i個天線單元的方向性函數(shù)用fi(φ,θ)表示，假定陣列的相位參考點選在坐標(biāo)原點，則陣列中各天線單元在目標(biāo)方向P上，各單元的合成場強(qiáng)可以表示為

(1)

式中：wi為第i個天線單元的復(fù)加權(quán)系數(shù)，wi=ai·e-jΔφi；Ri為第i個單元距遠(yuǎn)區(qū)目標(biāo)P的距離，Ri=R-ΔRi。則式(1)可以改為

(2)

由于天線單元共形安裝在弧面上，因此天線單元方向性函數(shù)fi(φ,θ)無法提到陣因子表達(dá)式外，不同位置的天線單元的方向性函數(shù)對天線陣波束均有較大影響。

當(dāng)天線波束的最大值指向為(φB,θB)方向時，第i個天線單元提供的陣內(nèi)相位差Δφi為

Δφi=2π/λ·(xi·cosθBcosφB+yi·cosθBsinφB+zi·sinθB) 。

(3)

考慮K為數(shù)字移相器的位數(shù)，2π/2K=Δφmin為移相器的最小移相量。

式(3)中的位置參數(shù)是各天線單元理想的相位中心位置，同時沒有考慮天線單元互耦引起的偏差。考慮天線單元相位補(bǔ)償?shù)趇個單元的相位誤差為δφi，則修正的波控數(shù)碼δi為δi=δφi/Δφmin。

因此，考慮天線單元相位誤差補(bǔ)償?shù)那闆r下，波控數(shù)碼的計算公式應(yīng)該修正為

C′(i)=2π/λ·(xi·sinθ0+yi·cosθ0)/(2π/2K)+δi。

(4)

對于共形陣的幅度加權(quán)，改變天線單元的幅度加權(quán)系數(shù)aBi，使它與天線單元方向圖的乘積符合降低天線副瓣電平的要求，即滿足天線口徑照射函數(shù)的要求，則應(yīng)滿足[6]

aBi·fi(φB,θB)=ai。

(5)

式中：ai為實現(xiàn)一定天線副瓣要求的加權(quán)系數(shù)；fi(φB,θB)為第i個單元在(φi0-φB,θi0-θB)方向的取值，其中φi0與θi0分別為第i個單元方向圖在方位與仰角的指向。由式(5)可推出幅度加權(quán)系數(shù)aBi。設(shè)計時，應(yīng)考慮天線單元自身的電氣性能和互耦帶來的影響，綜合天線陣面副瓣及增益的指標(biāo)，通過多次迭代仿真得到最佳的幅度加權(quán)值。天線陣面功率加權(quán)系數(shù)比最終設(shè)計為0.3∶1∶1∶0.3。

為了滿足指標(biāo)要求，同時得到最佳電氣性能，必須要充分考慮通道、單元及安裝帶來的誤差。通過代入幅相誤差及安裝誤差等因素，進(jìn)行理論與仿真分析最終得到各個模塊及單元的誤差要求。

4天線單元及陣列的設(shè)計

天線單元安裝于飛機(jī)機(jī)頭表面，應(yīng)降低風(fēng)阻并采用防水設(shè)計，并盡量增大機(jī)頭正對方向的增益。根據(jù)平臺安裝要求，需要盡量降低天線的高度尺寸和減小截面積，設(shè)計一種小型化的天線單元。根據(jù)天線中心工作頻率，得到工作波長在285 mm左右。綜合天線指標(biāo)，并結(jié)合具體安裝平臺，天線輻射單元最終選擇采用激勵振子、反射振子和引向振子相結(jié)合的準(zhǔn)八木天線形式，利用安裝平臺作為天線的接地面，并將激勵振子和反射振子進(jìn)行彎折以滿足苛刻的安裝條件。因為地板的存在和天線單元高度尺寸的限制，天線的主波束上翹。通過加入多個不同尺寸和不同間距的引向振子，并綜合調(diào)節(jié)天線單元各個參數(shù)，調(diào)節(jié)了俯仰面主波束指向，同時提高了天線單元的增益。天線單元最大增益提高約1.3 dB，此時天線單元俯仰面波束最大指向偏離機(jī)頭正對方向上翹約為18°，機(jī)頭正對方向增益提高1.6 dB。

天線單元的印制板材料介電常數(shù)為2.7，厚度為2 mm。天線單元的仿真模型如圖4(a)所示，尺寸為198.7 mm×40 mm×2 mm，高度僅相當(dāng)于約0.14波長，其地板的尺寸為452 mm×140 mm。外罩采用玻璃鋼，接口采用N型接頭。帶天線罩的天線單元結(jié)構(gòu)模型如圖4(b)所示，其尺寸約為295 mm×44 mm×30 mm。

(a)天線單元的仿真模型

(b)天線單元結(jié)構(gòu)示意圖

由4個天線單元構(gòu)成的天線陣面共形安裝在弧形平臺上，并且沿機(jī)頭正對方向(+Y方向)傾斜15°，如圖1所示。因此，天線單元可以沿+Y向傾斜15°近似考慮其電氣性能。天線單元在新的坐標(biāo)系下進(jìn)行仿真，仿真模型如圖4所示。

根據(jù)仿真結(jié)果：天線單元在工作頻帶內(nèi)駐波比小于等于2；天線單元方位面方向圖最大增益約為6.5 dBi；天線單元波束寬度在1.03 GHz時約為86°，在1.09 GHz時約為89°;天線單元波束上翹，增益最大值出現(xiàn)在偏離+Y方向約為18°。

5測試結(jié)果

經(jīng)過理論分析與設(shè)計，研制了L頻段共形相控陣天線，實物如圖5所示。天線單元為4個便于拆裝的獨立模塊。AIU將波束形成網(wǎng)絡(luò)、波控器及電源集成在一起，形成一個緊湊模塊。天線的主體骨架材料為防銹鋁，有較好的環(huán)境適應(yīng)性，能滿足鹽霧、濕熱、霉菌等環(huán)境要求。天線單元與AIU分別通過螺釘裝配于天線主體骨架上，相互間通過射頻電纜連接。

圖5　L頻段共形相控陣天線實物圖

在微波暗室，采用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀Agilent 5242A對共形相控陣天線進(jìn)行了測試。共形相控陣天線掃描分別為0°和30°的和差歸一化方向圖的仿真值與測試值如圖6和圖7所示。從測試方向圖可知，共形相控陣天線的仿真值與實測值相近，測試與仿真方向圖的主瓣基本一致。天線的法向掃描時，和波束副瓣電平小于等于-15 dB，后瓣電平小于等于-18 dB；天線的法向掃描時，差波束零深小于等于-20 dB；掃描至30°時，零深小于等于-20 dB。增益測試結(jié)果顯示：共形相控陣天線法向掃描時，天線陣面增益大于11 dBi；掃描至30°時，天線陣面增益大于10 dBi。

(a)掃描0°方位面和歸一化方向圖

(b)掃描0°方位面差歸一化方向圖

(c)掃描30°方位面和歸一化方向圖

(d)掃描30°方位面差歸一化方向圖

(a)掃描0°方位面和歸一化方向圖

(b)掃描0°方位面差歸一化方向圖

(c)掃描30°方位面和歸一化方向圖

(d)掃描30°方位面差歸一化方向圖

6結(jié)束語

本文研制了一套L頻段共形相控陣天線，它由天線陣面、波束形成網(wǎng)絡(luò)和波控器等構(gòu)成。其天線單元為一種小型化的微帶貼片形式的準(zhǔn)八木天線，該天線單元高度僅約0.14波長。共形相控陣天線的設(shè)計仿真值與實測值基本吻合。實際測試結(jié)果表明，共形相控陣天線能夠在掃描范圍內(nèi)實現(xiàn)有效的相控掃描，其和波束在掃描范圍內(nèi)的要求指向上獲得了較高的增益和較低的副瓣，同時差波束具有較深的零深。相控陣天線往往需要與載體共形安裝設(shè)計，為滿足氣動性能，需要盡可能地使天線小型化。本文研制的相控陣天線與機(jī)頭表面共形安裝，在獲得良好電氣性能的同時，具有較低的高度和較小的體積，滿足工程化的實際應(yīng)用，有較好的應(yīng)用前景。下一步的工作是在相控陣天線與載體共形安裝條件下，進(jìn)一步提高其指向精度。

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ZHANG Guangyi,ZHAO Yujie.Phased array technology[M].Beijing：Publishing House of Electronic Industry，2006.(in Chinese)

Development of an L-band Conformal Phased Array Antenna

LIANG Yuhong

(Southwest China Institute of Electronic Technology,Chengdu 610036,China)

Abstract：To meet the requirement of an airborne system,the analysis and design process of a conformal phased array antenna is presented,and also the quasi-yagi antenna unit,the height of which is nearly 0.14 wavelengths is designed.The software HFSS is used to simulate the antenna unit and conformal phased array.An L-band conformal phased array antenna is developed,which consists of array antenna,beamforming network and beam controller.Array antenna is realized by 4 antenna units,which is mounted on the conformal structure of plane’s nose.The test results of the conformal phased array antenna show that the gain of sum beam >10 dBi in all scanning range,meanwhile the low side lobe is achieved,and null depth of difference beam <-20 dB.

Key words：airborne antenna;L-band;conformal phased array；quasi-yagi antenna

doi:10.3969/j.issn.1001-893x.2016.06.017

收稿日期：2016-03-02；修回日期：2016-04-22Received date:2016-03-02；Revised date：2016-04-22

通信作者：northstara@163.comCorresponding author：northstara@163.com

中圖分類號：TN82

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1001-893X(2016)06-0692-05

作者簡介：

梁宇宏(1982—)，男,四川成都人,分別于 2005 年和 2008年獲學(xué)士學(xué)位和碩士學(xué)位,現(xiàn)為工程師，主要研究方向為天線理論與技術(shù)、相控陣。

LIANG Yuhong was born in Chengdu,Sichuan Province,in 1982.He received the B.S. degree and the M.S.degree in 2005 and 2008,respectively.He is now an engineer.His research concerns antenna theory and technique,phased array antenna.

Email:northstara@163.com

引用格式：梁宇宏.L頻段共形相控陣天線研制[J].電訊技術(shù)，2016,56(6):692-696.[LIANG Yuhong.Development of an L-band conformal phased array antenna[J].Telecommunication Engineering,2016,56(6):692-696.]