李貴棟

(中國空空導(dǎo)彈研究院,河南 洛陽 471009)

0 引 言

相控陣?yán)走_(dá)因波束掃描快、波束捷變能力強(qiáng)、能實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)探測、跟蹤等優(yōu)點(diǎn),被廣泛應(yīng)用于跟蹤雷達(dá)、預(yù)警雷達(dá)、火控雷達(dá)、通信、廣播、導(dǎo)航、電子對抗、氣象探測等領(lǐng)域[1]。近年來,隨著相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)的高速發(fā)展,對多功能、高分辨率、高數(shù)據(jù)率以及在惡劣電磁環(huán)境下工作等需求[2]越來越迫切,促使相控陣天線寬頻帶和寬角掃描設(shè)計成為相控陣天線重要的發(fā)展趨勢。

文獻(xiàn)[3]設(shè)計了一種高強(qiáng)度的毫米波金屬Vivaldi天線,其與帶狀線耦合的饋電基板集成,易于工程實(shí)現(xiàn),在E面和H面45°掃描情況下可實(shí)現(xiàn)27.5～42.2 GHz范圍內(nèi)駐波小于2;文獻(xiàn)[4]為提高波束掃描寬度,采用在“U”形槽貼片兩側(cè)加金屬壁結(jié)構(gòu),設(shè)計制作了E面線陣和H面線陣,分別在3.2～3.8 GHz頻帶內(nèi)實(shí)現(xiàn)75°和90°掃描;文獻(xiàn)[5]設(shè)計制作了以Vivaldi天線為陣列單元的X波段寬帶寬角掃描相控陣天線,利用覆蓋介質(zhì)板和在陣列單元間添加無源陣子展寬波束,增大波束掃描角度,在相對帶寬40%下E面、H面掃描范圍分別達(dá)到60°和55°;文獻(xiàn)[6]針對現(xiàn)有圓極化平面陣列的掃描角受限和三維寬角掃描陣列體積大的問題,設(shè)計了一種基于陣因子方向圖和單元因子方向圖互補(bǔ)的低剖面寬角掃描圓極化陣列天線,實(shí)現(xiàn)在8～9 GHz工作帶寬內(nèi),波束掃描角度達(dá)到62°;文獻(xiàn)[7]設(shè)計制作了以新型磁偶極子為陣列單元的E面線陣和H面線陣,以構(gòu)建平行于地板的磁流源的方法實(shí)現(xiàn)低剖面寬角掃描,波束掃描角度達(dá)到76°。

本文針對相控陣?yán)走_(dá)天線系統(tǒng),設(shè)計了一種以“L”形探針饋電開槽貼片天線為陣列單元的低剖面陣列天線,該陣列天線寬帶寬角掃描性能優(yōu)異,工作帶寬3.16 GHz,在E面、H面波束掃描角度達(dá)到±50°。

1 天線單元結(jié)構(gòu)與特性

寬帶寬角掃描相控陣天線設(shè)計的關(guān)鍵之一是陣列單元的選取。“L”形探針饋電貼片天線是由Luk K M和Mak C L于1998年提出的[8],其阻抗頻帶寬,剖面低,重量輕,結(jié)構(gòu)簡單,很適合作為相控陣天線的輻射單元。對貼片加載 “H”形槽,形成多頻諧振,進(jìn)一步增加其阻抗帶寬。天線單元結(jié)構(gòu)如圖1所示,天線單元從上到下依次由金屬貼片、Rogers 5880介質(zhì)基板、帶方形背腔的金屬接地板和“L”形探針饋電結(jié)構(gòu)組成。Rogers 5880介質(zhì)基板相對介電常數(shù)εr= 2.2,損耗角正切0.000 9,厚度為0.508 mm,金屬背腔體中的空氣層厚度為2.5 mm,“L”形探針饋電結(jié)構(gòu)由射頻同軸連接器(SMP)內(nèi)導(dǎo)體和一段長為1.6 mm、寬為1.94 mm的微帶線組成。

圖1 天線單元結(jié)構(gòu)

矩形微帶貼片天線理論尺寸計算如下。

微帶貼片寬度W為:

(1)

式中:c表示光速;f0為天線工作的中心頻率;εr為介質(zhì)有效介電常數(shù):

(2)

邊緣效應(yīng)引起的延伸長度ΔL為:

(3)

微帶貼片長度L為:

(4)

采用三維電磁仿真軟件ANSYS HFSS對天線單元仿真優(yōu)化后,其HFSS有源駐波仿真結(jié)果如圖2、圖3所示。由圖可知,天線單元在法線方向f0-1.59 GHz～f0+1.57 GHz頻率范圍內(nèi)有源駐波小于2,在E面波束掃描30°時f0-1.6 GHz～f0+1.6 GHz頻率范圍內(nèi)有源駐波小于2.3,在E面波束掃描50°時f0-1.6 GHz～f0+1.6 GHz頻率范圍內(nèi)有源駐波小于2.85,在H面波束掃描30°時f0-1.6 GHz～f0+1.6 GHz頻率范圍內(nèi)有源駐波小于2.25,在H面波束掃描50°時f0-1.6 GHz～f0+1.6 GHz頻率范圍內(nèi)有源駐波小于3。天線單元的工作帶寬達(dá)3.16 GHz。

圖2 天線單元E面有源駐波

圖3 天線單元H面掃描有源駐波

2 陣列掃描特性

小型陣列天線分析是設(shè)計相控陣天線的必要過程,主要分析陣列中心單元有源方向圖和陣列天線波束掃描時的輻射方向圖特性。在常規(guī)應(yīng)用中,柵瓣限制了相控陣天線的性能,因而要避免。本文以“L”形探針饋電開槽貼片天線為陣列單元,以矩形柵格排布,設(shè)計了9×9小型陣列天線,根據(jù)陣列掃描時柵瓣抑制條件,選擇陣列間距為中心頻率對應(yīng)波長的0.44倍。整個陣列共81個天線單元,9×9陣列天線模型如圖4所示。

圖4 9×9陣列天線模型

采用三維電磁仿真軟件ANSYS HFSS對9×9陣列天線進(jìn)行仿真分析,陣列中心單元有源方向圖如圖5、圖6所示。由圖可看出,陣列中心單元在f0-1.5 GHz頻點(diǎn)增益為5.47 dB,f0頻點(diǎn)增益為5.94 dB,f0+1.5 GHz頻點(diǎn)增益為6.17 dB。f0-1.5 GHz頻點(diǎn)E面半功率波束寬度為126°,H面半功率波束寬度為101°;f0頻點(diǎn)E面半功率波束寬度為124°,H面半功率波束寬度為100°;f0+1.5 GHz頻點(diǎn) E面半功率波束寬度為118°,H面半功率波束寬度為107°。

圖5 陣列中心單元有源E面方向圖

圖6 陣列中心單元有源H面方向圖

圖7、圖8是中心頻點(diǎn)f0處陣列天線的波束掃描方向圖,由圖可知法線方向副瓣電平為-13.27 dB,E面波束掃描至30°時副瓣電平為-12.08 dB,E面波束掃描至50°時副瓣電平為-10.91 dB,H面波束掃描至30°時副瓣電平為-11.63 dB,H面波束掃描至50°時副瓣電平為-9.86 dB,陣列天線波束在E面、H面波束掃描至±50°時遠(yuǎn)場方向圖均未出現(xiàn)柵瓣,副瓣結(jié)構(gòu)穩(wěn)定,遠(yuǎn)副瓣下降趨勢明顯。由于隨著波束掃描角度的逐漸增加,主瓣波束寬度逐漸展寬,因而陣列天線增益從法線方向的23.13 dB下降到波束掃描50°時的21.39 dB,增益下降小于1.8 dB,在實(shí)現(xiàn)寬角掃描的同時能保持高增益,寬角掃描性能優(yōu)異。圖9為9×9陣列天線法線方向增益隨頻率變化曲線,由圖可知,f0-1.5 GHz處陣列天線法線方向增益為21.67 dB,f0+1.5 GHz處陣列天線法線方向增益為24.29 dB。隨著工作頻率的提高,陣列天線的增益逐漸變大。

圖7 9×9陣列E面掃描方向圖

圖8 9×9陣列H面掃描方向圖

圖9 9×9陣列法向增益隨頻率變化曲線

3 結(jié)束語

本文以“L”形探針饋電開槽貼片天線為陣列單元設(shè)計了一種低剖面寬帶寬角掃描相控陣?yán)走_(dá)天線。仿真結(jié)果表明,該陣列天線具有優(yōu)異的寬帶寬角掃描特性,其工作帶寬達(dá)到3.16 GHz,有源駐波特性和輻射特性在E面、H面波束掃描范圍達(dá)到±50°,在相控陣?yán)走_(dá)天線系統(tǒng)中具有很好的應(yīng)用前景。