袁建濤，湯曉云，張聞濤，稂華清,3

(1.中國空空導(dǎo)彈研究院，洛陽 471009；2.空裝駐洛陽地區(qū)第一軍代表室，洛陽 471009；3.航空制導(dǎo)武器航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 洛陽 471009)

0 引 言

相控陣天線具有無慣性掃描、波束捷變、大功率等優(yōu)點(diǎn)，憑借其優(yōu)越性能及相控陣技術(shù)的高速發(fā)展，相控陣天線在現(xiàn)代軍事武器和無線通信技術(shù)中得到越來越廣泛的應(yīng)用。目標(biāo)高機(jī)動(dòng)、各種有源與無源電磁干擾、衛(wèi)星高速率數(shù)據(jù)傳輸及合成孔徑雷達(dá)(SAR)成像等對相控陣天線的工作帶寬及空間掃描范圍提出了高要求。為了有效地滿足各種功能需求，要求天線具有較寬的方向圖帶寬，同時(shí)在較寬帶寬內(nèi)具備二維寬角掃描能力[1-5]。

與此同時(shí)，有源相控陣天線TR通道基態(tài)性能存在較大的幅相不一致性，為使天線具有良好的低副瓣性能，需對TR通道間幅度相位不一致性進(jìn)行準(zhǔn)確測量并做調(diào)平處理。工程中一般采用近場或遠(yuǎn)場方法對相控陣天線TR通道進(jìn)行幅相性能校準(zhǔn)并做不一致性補(bǔ)償，使天線輻射性能滿足可使用要求。當(dāng)產(chǎn)品交付以后，其服役場所往往不再具備近場或遠(yuǎn)場測試條件，因此需要設(shè)計(jì)有源鏈路性能監(jiān)測手段，實(shí)現(xiàn)對TR通道不定時(shí)檢測。自校準(zhǔn)方法基于天線內(nèi)部耦合網(wǎng)絡(luò)，受外界環(huán)境干擾小，能夠很好地滿足有源相控陣天線TR通道的性能監(jiān)測要求。本文將多層貼片天線與內(nèi)耦合網(wǎng)絡(luò)[6]一體化設(shè)計(jì)，校準(zhǔn)線通過縫隙耦合信號至天線饋電通道或接收天線饋電通道的信號，實(shí)現(xiàn)對T/R通道性能的在線監(jiān)測。一體化設(shè)計(jì)[7-8]使天線結(jié)構(gòu)更加緊湊，集成度高，便于加工和裝配，在大大降低成本的同時(shí)，較好保證了天線性能的一致性。此外，與振子天線[9-10]、Vivaldi天線[11-13]等常用相控陣天線單元相比，文中天線在滿足寬帶寬角掃描條件下，兼有低剖面的優(yōu)點(diǎn)，在瓦式相控陣[14]、智能蒙皮技術(shù)[15]、彈載大規(guī)模共形天線陣等領(lǐng)域具有潛在應(yīng)用價(jià)值。

1 天線一體化設(shè)計(jì)

一體化天線單元為一種帶矩形空腔的多層貼片天線，極化方式為線極化，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。天線從上而下依次為寄生貼片、0.508 mm厚介質(zhì)板、輻射貼片、0.762 mm厚介質(zhì)板、地板、0.254 mm厚介質(zhì)板、饋電微帶、0.254 mm厚介質(zhì)板、地板、0.254 mm厚介質(zhì)板、校準(zhǔn)微帶線、校準(zhǔn)微帶空氣腔，層與層之間用半固化片粘接。介質(zhì)材料均為Rogers RT/duroid 5880，相對介電常數(shù)為2.2，介質(zhì)損耗角正切為0.000 9，天線尺寸8 mm×8 mm，輻射貼片尺寸為5 mm×5 mm，寄生貼片尺寸為4.5 mm×4.5 mm，矩形空腔尺寸為4.5 mm×4.5 mm。該天線工作在Ku頻段，采用同軸轉(zhuǎn)帶狀線饋電，在帶狀線上方地板開H形槽縫，利用縫隙耦合理論激勵(lì)貼片輻射，同時(shí)結(jié)合寄生貼片，使天線獲得寬帶性能，在耦合縫隙上方介質(zhì)板中心加工一定尺寸的空氣腔可以進(jìn)一步拓寬天線有源駐波帶寬。帶狀線縫隙耦合饋電將輻射貼片和饋電微帶分層設(shè)計(jì)，并在帶狀線四周打金屬化過孔，在去高次模的同時(shí)，可避免帶狀線電場對貼片輻射性能的影響，使天線獲得較好的寬角掃描和低交叉極化特性。

圖1 一體化貼片天線

文中主要對4 GHz帶寬內(nèi)天線性能進(jìn)行分析，其中下邊頻fL對應(yīng)頻點(diǎn)f0-2 GHz，f0為中心頻點(diǎn)，上邊頻fH對應(yīng)頻點(diǎn)f0+2 GHz。分別對孤立天線單元下邊頻fL、中心頻點(diǎn)f0和上邊頻fH的E面和H面方向圖主極化和交叉極化進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果如圖2所示，由仿真結(jié)果可知，該貼片單元方向圖帶寬滿足4 GHz要求，且在帶寬內(nèi)E面和H面交叉極化電平均優(yōu)于-40 dB。

圖2 邊、中頻孤立天線單元方向圖性能

利用小孔耦合原理，設(shè)計(jì)自校準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)，校準(zhǔn)微帶線通過縫隙耦合信號至天線饋電通道或接收天線饋電通道的信號，實(shí)現(xiàn)對T/R通道收發(fā)性能的在線監(jiān)測。耦合孔寬度尺寸影響耦合量大小，耦合孔下方校準(zhǔn)微帶方形片起校準(zhǔn)口駐波調(diào)節(jié)作用。頻帶內(nèi)耦合量及校準(zhǔn)口駐波仿真結(jié)果如圖3所示。由圖3可知，耦合量在全頻帶內(nèi)的波動(dòng)范圍小于2 dB，校準(zhǔn)口駐波小于1.2。

圖3 校準(zhǔn)耦合性能

2 天線有源駐波特性

陣中天線單元由于受到其他單元互耦影響，在波束掃描過程中其有源駐波會(huì)有較大變化，而天線單元在掃描空域范圍內(nèi)的有源駐波大小用來衡量波束掃描過程中是否存在盲點(diǎn)。利用HFSS周期性邊界理論，對文中貼片天線主剖面有源駐波進(jìn)行仿真，圖4給出4 GHz帶寬內(nèi)天線沿E面和H面掃描60°范圍內(nèi)的有源駐波變化曲線。

圖4 天線有源駐波

由仿真結(jié)果可知，在4 GHz帶寬內(nèi)，文中天線沿E面和H面掃描±60°范圍內(nèi)有源駐波均小于3.2，波束掃描過程中無盲點(diǎn)出現(xiàn)。

3 天線單元陣中特性

根據(jù)方向圖乘積原理，對相控陣天線來講，陣中天線方向圖3 dB波束寬度對波束掃描過程中增益下降和副瓣抬高程度有重要影響。文中以天線尺寸大小為單元間距，按照矩形柵格排布建立9×9面陣，陣面布局如圖5所示。使天線分別工作在下邊頻fL、中心頻點(diǎn)f0和上邊頻fH，利用HFSS軟件對其陣中方向圖進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果如圖6所示。

圖5 9×9天線陣面布局

圖6 陣中方向圖

由仿真結(jié)果可知，在4 GHz帶寬內(nèi)，天線E面3 dB波束寬度為121°～134°，H面3 dB波束寬度為96°～104°，陣中天線單元增益為5.06 dB～5.9 dB，如表1所示，能夠滿足相控陣天線±60°掃描范圍及帶內(nèi)天線增益要求。

表1 陣中天線單元增益

4 陣列波束掃描特性

為衡量天線陣列掃描特性，分別沿E面和H面方向建立16元線陣，陣元間距與貼片單元尺寸一致，天線分別工作在fL、f0和fH3個(gè)頻點(diǎn)，波束掃描角度為0°、30°和60°，根據(jù)波束掃描公式給每個(gè)天線單元配相，仿真結(jié)果如圖7所示。

圖7 陣列波束掃描特性

由圖7可知，在全頻帶范圍內(nèi)波束沿E面和H面掃描過程中均無柵瓣產(chǎn)生，副瓣結(jié)構(gòu)穩(wěn)定且遠(yuǎn)副瓣下降趨勢明顯，交叉極化低于-30 dB，能夠滿足寬帶寬角掃描要求。

5 結(jié) 論

本文基于H形縫隙耦合饋電和小孔耦合原理，設(shè)計(jì)了一種具有自校準(zhǔn)功能的寬帶寬角掃描貼片天線。該天線在4 GHz帶寬內(nèi)有源駐波、方向圖及耦合性能穩(wěn)定且具有良好的低交叉極化性能，同時(shí)兼有微帶貼片天線低剖面、易集成的優(yōu)點(diǎn)，能夠滿足一般相控陣天線應(yīng)用需求，并在智能蒙皮技術(shù)中具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。