張聞濤 袁建濤 張?zhí)焖?/p>

(中國(guó)空空導(dǎo)彈研究院 河南 洛陽(yáng) 471009)

0 引言

相控陣天線以其波束靈活、可實(shí)現(xiàn)無(wú)慣性掃描、可靠性高等諸多優(yōu)點(diǎn)近年來(lái)逐漸成為研究的熱點(diǎn)，在雷達(dá)、通信等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[1]。

相控陣單元的特性對(duì)陣列性能具有至關(guān)重要的影響，單元間距決定了相控陣天線的掃描范圍，單元增益可以有效地提高陣列增益，從而影響系統(tǒng)的探測(cè)距離與威力；而單元的匹配及耦合特性則決定了陣列的寬角度空域掃描能力; 此外，具體安裝及應(yīng)用環(huán)境決定了單元的結(jié)構(gòu)特性，因此，研制寬頻帶、小型化、低剖面、易集成低成本特性的天線單元將成為構(gòu)建通用化寬帶相控陣天線的一個(gè)很重要的組成部分[2]。

常見(jiàn)的相控陣單元形式多種多樣，例如微帶貼片天線、Vivaldi天線、振子型天線、準(zhǔn)八木天線、矩形波導(dǎo)天線等[3]，其中微帶天線以其重量較輕的優(yōu)勢(shì)應(yīng)用最為廣泛[4]，但也存在一些問(wèn)題，如結(jié)構(gòu)脆弱、介質(zhì)板易斷、交叉極化較高，效率較低等缺點(diǎn)，多用在要求不高的場(chǎng)合[5]。本文根據(jù)相控陣通用平臺(tái)研制的要求，設(shè)計(jì)了一種波束可調(diào)的寬帶金屬相控陣天線單元， 與其它相控陣天線單元相比較，金屬陣子天線單元具有較低的交叉極化、較高的效率、較高的強(qiáng)度、可方便加工等優(yōu)點(diǎn)，并且加工成本較低，一致性較好，可作為寬帶通用相控陣天線單元。

1 單元設(shè)計(jì)

微帶形式的振子天線發(fā)展較為成熟，已被廣泛地使用。由于微帶振子的介質(zhì)板材相對(duì)金屬較軟，在使用的過(guò)程中極易發(fā)生磕碰，從而損壞單元，其次微帶振子的交叉極化較大，限制了其應(yīng)用范圍[6]，因此，本文設(shè)計(jì)了一種金屬對(duì)稱振子，選擇了同軸饋電的方式，這樣使得陣子與饋電的同軸結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)一體化加工，既增加了強(qiáng)度又實(shí)現(xiàn)了很低交叉極化，提高了天線的效率。

天線由50Ω的同軸饋電線、扁平狀的雙臂對(duì)稱振子、寬帶的板狀巴倫、及接地板組成。通常振子的長(zhǎng)度為四分之一波長(zhǎng)，考慮中間到饋電的間隙以及組成陣列后，相鄰振子的結(jié)構(gòu)可能會(huì)發(fā)生干涉，相控陣單元在大掃描角(±60°)設(shè)計(jì)時(shí)，其尺寸一般約為0.5λ，兩端的振子臂長(zhǎng)相加應(yīng)小于半個(gè)波長(zhǎng)，本文設(shè)計(jì)的振子臂長(zhǎng)為0.24λ。振子臂長(zhǎng)與天線的匹配密切相關(guān)，振子臂長(zhǎng)有利于性能的匹配，但會(huì)帶來(lái)結(jié)構(gòu)的干涉，增大天線間的耦合，采用較短的陣子臂，會(huì)增加匹配的難度，本文采用了巴倫與振子一起仿真優(yōu)化的思路，來(lái)滿足寬帶匹配的要求，同時(shí)巴倫也作為支撐振子的一個(gè)結(jié)構(gòu)件，后期可方便的加工和焊接。為了抑制振子的雙向輻射，通常都在振子的下方增加金屬反射板，反射板距離振子的高度為λ/4[7]，反射之后以此達(dá)到與輻射波同相疊加的目的，增強(qiáng)天線的方向性，提高天線的增益，單元結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 金屬半波振子結(jié)構(gòu)示意圖

對(duì)于相控陣天線而言，單元的波束寬度基本決定了掃描角的大小，不同的應(yīng)用場(chǎng)合對(duì)掃描角要求不同，當(dāng)追求大的掃描角時(shí)，天線單元尺寸一般會(huì)比較小，從而產(chǎn)生所需的較寬的波束，掃描時(shí)增益不至于下降太快，但當(dāng)天線波束較寬時(shí)，此時(shí)增益相對(duì)會(huì)比較低[8]，當(dāng)掃描角比較小時(shí)，此時(shí)需要較窄的波束和相對(duì)較高的增益，為了兼顧不同應(yīng)用場(chǎng)合下的對(duì)波束寬度的不同要求，提出了采用接地板上下移動(dòng)的方法，改變波束寬度。該單元的優(yōu)點(diǎn)是在保證單元結(jié)構(gòu)以及饋電結(jié)構(gòu)不變的情況下，通過(guò)改變接地板與陣子臂間的高度較為容易地實(shí)現(xiàn)了不同場(chǎng)合下對(duì)波束寬度的不同需求，而無(wú)需重新加工或設(shè)計(jì)新的單元，接地板可在一個(gè)較寬的高度內(nèi)移動(dòng)，寬帶巴倫饋電結(jié)構(gòu)基本不受接地板高度的影響，對(duì)天線的駐波影響很小，在一個(gè)較寬的頻帶內(nèi)都能滿足匹配的要求。

半波振子的沿線電流近似于正弦分布[9]：

I=IMsin[k(l-|z|)]

(1)

其中IM為電流駐波的波腹電流，即電流的最大值，利用疊加原理可計(jì)算出半波振子的遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)為：

(2)

2 寬帶巴倫設(shè)計(jì)

同軸饋電結(jié)構(gòu)是一種非平衡的傳輸線，而對(duì)稱陣子是一種平衡結(jié)構(gòu)，為了實(shí)現(xiàn)不平衡到平衡的轉(zhuǎn)換，本文采用了巴倫結(jié)構(gòu)來(lái)完成轉(zhuǎn)換功能。巴倫類型很多,典型的有U型管變換器、λ/4金屬扼流套變換器、串聯(lián)諧振變換器等。但這些巴倫的工作頻帶都較窄,不能滿足寬帶特性的要求。而另一類傳輸線巴倫,雖然帶很寬,但在高頻應(yīng)用中,由于材料的限制,難以承受很大的功率。縫隙式巴倫性能優(yōu)良，結(jié)構(gòu)緊湊，應(yīng)用較廣，槽長(zhǎng)為λ/4，負(fù)載Zab=4Z0，這種平衡器的帶寬為1.1∶1，帶寬較窄，為克服這些缺點(diǎn),本文在縫隙式巴倫的基礎(chǔ)上采用了板狀巴倫結(jié)構(gòu),如圖2所示，本質(zhì)是將縫隙進(jìn)一步加寬加大，其中w為板線之間的寬度，d為同軸線內(nèi)導(dǎo)體直徑，通過(guò)調(diào)節(jié)w和d可明顯的增加巴倫的帶寬，帶寬可達(dá)到2∶1[10]，滿足實(shí)際使用要求，阻抗與尺寸線的關(guān)系為：

(3)

圖2 板狀巴倫結(jié)構(gòu)

3 仿真結(jié)果

本文設(shè)計(jì)的波束可調(diào)的寬帶金屬相控陣天線單元中心頻點(diǎn)方向如圖3所示，天線增益約為5dB，兩個(gè)面的交叉極化均小于-30dB，調(diào)節(jié)地板距離振子的高度h，主平面的波束寬度可在50°至130°范圍內(nèi)變化，能夠適應(yīng)大多數(shù)相控陣平臺(tái)的的使用，增益變化范圍約為2～7dB。在兩個(gè)極限位置處，天線的增益由于不滿足同相疊加的要求，天線增益有所降低，圖4給出了各個(gè)位置的主平面方向圖，方向圖良好無(wú)畸變。

采用基于對(duì)稱邊界求解有源駐波的方法，單元間距選定為0.52λ，經(jīng)仿真優(yōu)化后中心頻點(diǎn)的有源駐波在0°到60°掃描角內(nèi)駐波小于2，匹配良好，在全頻帶上選取有源駐波較大的90°剖面(H面)，仿真結(jié)果表明駐波較差的低頻有源駐波從0°到60°掃描角內(nèi)駐波小于2.6，無(wú)掃描盲點(diǎn)，大角度駐波滿足要求，無(wú)源駐波在整個(gè)帶寬內(nèi)小于2，具有較好的寬帶特性，達(dá)到了通用化、寬帶化的設(shè)計(jì)要求。

圖3 中心頻點(diǎn)f0主平面方向圖

圖4 中心頻點(diǎn)下反射板處在極限位置的主平面方向圖

圖5 隨接地板h增益的變化量曲線

圖6 帶寬內(nèi)無(wú)源駐波曲線

圖7 中心頻點(diǎn)f0有源駐波曲線

圖8 全頻帶內(nèi)90°剖面有源駐波曲線

4 結(jié)束語(yǔ)

本文利用寬帶板狀巴倫結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了一種寬帶金屬的對(duì)稱振子相控陣單元天線，天線和饋電巴倫一體化加工，加工簡(jiǎn)單，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度較高。調(diào)節(jié)接地板與振子之間的距離來(lái)調(diào)整天線的波束寬度和增益，如圖5所示，使得該振子天線在不更改結(jié)構(gòu)的情況下拓展了天線的應(yīng)用范圍，節(jié)省了設(shè)計(jì)成本，具有較強(qiáng)的相控陣平臺(tái)通用性。如圖6～圖8所示，設(shè)計(jì)的金屬振子天線在15%帶寬內(nèi)有源駐波小于2.6，無(wú)源駐波小于2，天線的波束寬度可在50°至130°范圍內(nèi)變化，能夠適應(yīng)大多數(shù)相控陣平臺(tái)的的使用，仿真增益變化范圍約為2～7dB，實(shí)現(xiàn)了寬帶通用化的天線設(shè)計(jì)要求。