花鵬成,謝國君,宋 誠,駱定一,張立東

（上海無線電設(shè)備研究所,上海 201109）

0 引言

單脈沖天線是單脈沖雷達(dá)重要的電磁波發(fā)射與接收裝置,為雷達(dá)同時提供和、方位差、俯仰差3通道信息,可以通過天線發(fā)射的和差波束在一個回波脈沖內(nèi)獲得目標(biāo)的位置信息。傳統(tǒng)的單脈沖雷達(dá)多采用反射面、微帶和波導(dǎo)縫隙等天線形式。單脈沖反射面天線一般采用4波導(dǎo)或5波導(dǎo)饋源結(jié)構(gòu),容易實現(xiàn)單脈沖天線性能且結(jié)構(gòu)簡單。但反射面天線縱向尺寸較大,在結(jié)構(gòu)尺寸受限時,往往因饋源遮擋導(dǎo)致天線效率低、副瓣電平差。微帶天線具有質(zhì)量輕、易與電路集成、成本低等特點。但由于微帶天線介質(zhì)損耗較大,造成饋電網(wǎng)絡(luò)損耗大,致使天線效率降低,往往難以實現(xiàn)較高的增益。波導(dǎo)縫隙天線通過在波導(dǎo)寬壁上不同位置處開縫,切割電磁波達(dá)到輻射能量的目的,具有增益高、副瓣低且性能穩(wěn)定的特點,是目前應(yīng)用最廣泛的導(dǎo)引頭單脈沖天線之一。波導(dǎo)縫隙天線輻射縫隙的長度、寬度及偏離波導(dǎo)中心的距離等參數(shù)共同決定了陣面的錐削分布,因此,波導(dǎo)縫隙天線設(shè)計較為復(fù)雜,加工精度要求高。

為解決上述問題,本文設(shè)計了一種新型的微帶網(wǎng)格陣面結(jié)構(gòu)及相應(yīng)的環(huán)形耦合微帶功分器。通過天線輻射陣面與和差器的聯(lián)合設(shè)計,在不降低天線陣列性能的基礎(chǔ)上,采用微帶天線實現(xiàn)相同的功能。

1 天線陣面的設(shè)計

1.1 輻射原理

本文采用了一種新型的微帶網(wǎng)格陣面結(jié)構(gòu)。與普通波導(dǎo)縫隙陣面結(jié)構(gòu)相比,該結(jié)構(gòu)具有剖面低,重量輕,成本低等優(yōu)點。天線陣面為四象限對稱布局,1/4微帶網(wǎng)格天線陣面結(jié)構(gòu)如圖1所示。天線縱向微帶線為有效輻射單元,長度為λ/2,其中λ為電磁波在微帶板中的有效波長,橫向微帶線是傳輸線,長度為λ。

圖1 1/4微帶網(wǎng)格天線陣面結(jié)構(gòu)

在由微帶線組成的每一個矩形環(huán)上,短邊上有相同半波電流,而長邊上有全波電流,其結(jié)果是縱向分量同相疊加,橫向分量相互抵消。微帶線的寬度和微帶線與饋電點間的距離決定了縱向微帶線的電流分布。可以通過調(diào)整縱向微帶線的寬度來改變每個輻射單元的電流大小,使陣面電流分布符合泰勒分布,實現(xiàn)減小副瓣的目的。

在微帶網(wǎng)格天線陣的設(shè)計中,無論采取線陣還是面陣結(jié)構(gòu),都需要確定長邊和短邊長度。為了確定長邊長度,需要首先確定有效波長λ,其求解的經(jīng)驗公式為

式中:a為待定常數(shù);λ為電磁波在自由空間中的波長;ε為介電常數(shù)的實部。本文a取值為1.02,ε取值為2.2,使用羅杰斯5880板材設(shè)計微帶網(wǎng)格天線陣。

采用HFSS軟件對天線H面和E面的電場矢量分布進(jìn)行仿真,結(jié)果如圖2所示。

圖2 天線電場矢量分布圖

從圖2可以很直觀地看出,在工作中心頻率f處,微帶網(wǎng)格長邊上的電流矢量呈現(xiàn)全波長分布,短邊上的電場矢量呈現(xiàn)半波長分布。

天線微帶網(wǎng)格矩形環(huán)的長邊基本上作為傳輸線工作,而短邊則既為輻射單元,又有傳輸線的作用。假設(shè)瞬時電流呈駐波分布,在所有的短邊上的電流都同相,使得所有短邊輻射因為同相疊加而增強(qiáng);而所有網(wǎng)格長邊上的電流成對反相,使得長邊輻射（理想狀態(tài)下）抵消為零。所以該網(wǎng)格天線陣列的增益正比于短邊的數(shù)量。采用HFSS軟件進(jìn)行仿真,通過天線微帶線上的電流密度分布可知,長邊上的電流是互相抵消的,而短邊上電流沿同一方向增強(qiáng)。

1.2 陣面加權(quán)設(shè)計

在完成天線的初步設(shè)計后,根據(jù)天線具體的使用要求,進(jìn)行陣列天線方向圖綜合。天線方向圖綜合一般先確定天線輻射方向圖要求,再用系統(tǒng)方法來設(shè)計滿足方向圖要求的天線結(jié)構(gòu)參數(shù)和電參數(shù),如陣元間距、陣元數(shù)量、激勵幅度、激勵相位等。

常用的天線方向圖綜合方法一般分為3類。第一類方法是提出主瓣寬度和旁瓣電平的要求,然后確定陣因子中輻射單元的激勵幅度或者相位等。常見的方法有多爾夫-切比雪夫（Dolph-Chebyshev）綜合法和泰勒（Taylor）線源綜合法。這兩種方法都是采用切比雪夫（Chebyshev）多項式來獲得指定旁瓣下的最窄主瓣寬度,但Taylor線源綜合法相比Dolph-Chebyshev綜合法來說,可以避免高Q值或者窄帶工作。第二類方法是對方向圖形狀進(jìn)行設(shè)計,通過確定單元數(shù)量、間距分布和激勵,用綜合的最佳陣因子取代預(yù)期方向圖。常見的方法有傅里葉變換法和伍德沃德-勞森（Woodward-Lawson）法。第三類方法是利用微擾法來不斷調(diào)整已知的方向圖來實現(xiàn)所需要的方向圖指標(biāo)。

Dolph-Chebyshev綜合法的重要特性是:若指定主副瓣比值（即指定旁瓣電平）,則第一零點的波束寬度最窄;若指定波束寬度,則主副瓣比值最大。因此Dolph-Chebyshev綜合法適合方向性強(qiáng)和波束窄的天線方向圖綜合。但上述特性會導(dǎo)致天線工作頻帶偏窄。Taylor線源法采用Chebyshev多項式的改進(jìn)形式,可以避免窄帶工作,更適合于激勵的優(yōu)化。在對天線方向圖優(yōu)化時,本文主要采用的是第一類方法中的Taylor線源法。

本文設(shè)計的微帶網(wǎng)格天線方位面上有8個有效輻射單元,俯仰面上有6個有效輻射單元,旁瓣電平優(yōu)化指標(biāo)為-30 dB,等副瓣數(shù)為5。根據(jù)泰勒陣列綜合公式,計算得到方位面8個輻射單元的電流比為0.440 7∶0.801 7∶1.241 4∶1.516 3∶1.516 3∶1.241 4∶0.801 7∶0.440 7,俯仰面6個輻射單元的電流比為0.480 6∶1.032 4∶1.486 9∶1.486 9∶1.032 4∶0.480 6。將方位面電流分布和俯仰面電流分布一一相乘,便能得到整個陣面的電流分布。

在得到電流分布后,就可以計算微帶線的阻抗。在微帶網(wǎng)格天線陣列中,每個輻射單元可視為并聯(lián)后再次串聯(lián),得到電流比后,阻抗比就是電流的反比。方位面8個輻射單元的阻抗比為2.269 3∶1.247 3∶0.805 6∶0.659 5∶0.659 5∶0.805 6∶1.247 3∶2.269 3,俯仰面6個輻射單元的阻抗比為2.080 6∶0.968 6∶0.672 5∶0.672 5∶0.968 6∶2.080 6。設(shè)并聯(lián)后總阻抗為50Ω,利用微帶線計算工具可分別求得各天線陣元阻抗。在求得所有輻射單元的微帶線寬度后,對整個陣面的方向圖進(jìn)行仿真計算,根據(jù)計算結(jié)果再對微帶線寬度進(jìn)行微調(diào),多次迭代以達(dá)到最佳工作狀態(tài)。因天線邊緣電流分布很小,導(dǎo)致求得的微帶線寬度過小,工程中無法實現(xiàn)。把過小的微帶線寬度均改為0.2 mm,再次進(jìn)行整體優(yōu)化,最終得到整個陣面輻射單元的微帶線寬度。優(yōu)化后的微帶線寬度最小值為0.18 mm,工程中可以實現(xiàn),且不易脫落。

2 天線和差器設(shè)計

天線和差器由4個微帶形式的混合環(huán)形網(wǎng)絡(luò)組成,混合環(huán)形網(wǎng)絡(luò)如圖3所示。端口1和端口2為混合環(huán)形網(wǎng)絡(luò)的輸入端口,端口3和端口4分別為其差端口與和端口。當(dāng)端口1和端口2同相等幅輸入時,差端口與輸入端口的相差為180°。

圖3 混合環(huán)形網(wǎng)絡(luò)

該和差器有8個端口,其中端口1～端口4通過金屬通孔與上層的微帶輻射陣面連接,端口5～端口8分別為和端口、俯仰差端口、方位差端口和匹配端口,如圖4所示。

圖4 和差器

和差器的傳輸性能如圖5所示,其中S,S,S,S分別為和端口到4個1/4輻射陣面的傳輸系數(shù)?？梢钥闯?傳輸系數(shù)S,S,S,S基本相等,均為-6.0 dB左右?？紤]微帶板和微帶線的插入損耗,最終仿真結(jié)果為-6.2 dB。

圖5 和差器S參數(shù)

3 仿真結(jié)果

基于圖6所示天線仿真模型,對天線4個端口的駐波系數(shù)進(jìn)行仿真,結(jié)果如圖7所示?？梢钥闯?和差器的和差端口駐波系數(shù)都小于1.5,性能良好。

圖6 天線全陣面仿真模型

圖7 和差器駐波系數(shù)

在中心頻率處對天線方向圖進(jìn)行仿真,結(jié)果如圖8所示。可知,天線的增益為21.4 dB,和差矛盾為3.7 dB,副瓣低于-20 dB,零深小于-30 dB,輻射效率為85%。

圖8 天線和差波束方向圖

按陣面電流等幅度分布和泰勒分布分別對天線方向圖進(jìn)行加權(quán)優(yōu)化,如圖9所示。可以看出,因為E面上的單元數(shù)比較少,泰勒分布的副瓣比等幅分布低1.4 dB,H面上單元較多,泰勒分布的副瓣比等幅度分布低6.0 dB。

圖9 不同算法加權(quán)優(yōu)化后的天線方向圖

4 結(jié)束語

本文提出了一種新型網(wǎng)格微帶單脈沖天線設(shè)計方法,該天線具有良好的單脈沖性能,且相較于傳統(tǒng)的單脈沖天線更易于設(shè)計和實現(xiàn),在導(dǎo)彈和衛(wèi)星領(lǐng)域有較廣闊的應(yīng)用前景。但該天線也存在頻帶不易展寬的缺點。隨著工作頻率的提高,寄生輻射能量變大,因此該天線不適合在高頻段應(yīng)用。另外,本文所提的網(wǎng)格微帶陣列天線方向圖綜合方法還有許多待完善的地方。該天線方位面的副瓣優(yōu)化比較理想,但俯仰面的副瓣優(yōu)化并不是太理想,有可能是方位面的輻射單元錯位排列引起的。同時,在網(wǎng)格天線方向圖的陣列綜合時沒有考慮互耦效應(yīng)。在微帶天線中,互耦效應(yīng)十分明顯,這直接導(dǎo)致天線需要在理論計算值上進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化。