單脈沖雙極化天線陣列設(shè)計(jì)

于 晶，李尚生，鮑 虎，陳佳林

（海軍航空工程學(xué)院 電子信息工程系，山東 煙臺 264001）

20世紀(jì)40年代后期單脈沖技術(shù)發(fā)展以來，單脈沖雷達(dá)在空中以及導(dǎo)彈防御系統(tǒng)中擔(dān)負(fù)著重要角色。單脈沖天線由和差網(wǎng)絡(luò)和接收天線組成。傳統(tǒng)的單脈沖雷達(dá)的和差比較網(wǎng)絡(luò)由4個魔T構(gòu)成，接收天線為波導(dǎo)裂縫天線陣，其結(jié)構(gòu)龐大，加工、設(shè)計(jì)和制造都比較困難，成本很高。更重要的是利用波導(dǎo)裂縫天線陣實(shí)現(xiàn)雙極化功能非常困難。20世紀(jì)70年代以來微帶天線以其重量輕、剖面小、設(shè)計(jì)靈活、成本低廉等諸多優(yōu)點(diǎn)得到了越來越廣泛的應(yīng)用。特別是對于單脈沖雷達(dá)系統(tǒng)而言，雙極化微帶天線的研究具有十分重要的意義。本文提出了1種新型單脈沖雙極化縫隙耦合微帶天線陣列，此陣列利用共面微帶線饋電和縫隙耦合微帶線饋電兩者結(jié)合的混合饋電微帶單元，采用微帶單脈沖比較器實(shí)現(xiàn)了其高隔離度、低副瓣特性。

1 微帶雙極化天線單元設(shè)計(jì)

根據(jù)理論研究和實(shí)踐證明，單脈沖雷達(dá)若采用雙極化模式工作，再配上適當(dāng)?shù)男盘柼幚?，可以收到較好的抗干擾效果[1]?；诶走_(dá)中平面天線的應(yīng)用，我們對多種雙極化微帶貼片單元的設(shè)計(jì)作了研究[2-5]，選擇共面微帶線饋電和縫隙耦合微帶線饋電兩者結(jié)合的混合饋電微帶單元來組成雙極化微帶天線陣。

天線單元結(jié)構(gòu)如圖1所示，把天線主體剖分為5層，第1層和第2層介質(zhì)板上分別覆有方形寄生貼片和方形主輻射貼片，第3層為刻有H形偏置縫隙的地板層，第4層為饋電層基板，其上表面刻有微帶饋線。此外，為了減小背向輻射提高增益，在距離地板四分之一波長處加了一塊金屬反射板，反射板與饋電層基板之間同樣采用泡沫支撐。饋線通過孔徑耦合能量和微帶耦合矩形貼片激勵起兩種正交模式，實(shí)現(xiàn)垂直和水平極化工作狀態(tài)。

圖1 微帶雙極化單元

貼片層介質(zhì)板rε 要影響天線的阻抗帶寬，主要表現(xiàn)在帶寬與介電常數(shù)成反比、與厚度成正比。但是，介質(zhì)板厚度的增加也會使表面波增強(qiáng)，從而導(dǎo)致天線增益和極化純度的降低。對于接地板層介質(zhì)，由于孔徑的存在，饋線能量在向上輻射的同時，也會經(jīng)天線再次反向向下輻射，表現(xiàn)為背瓣過大，增益降低。所以，應(yīng)采用較薄的高介電常數(shù)介質(zhì)板來增強(qiáng)介質(zhì)對場的束縛，從而達(dá)到減小背向輻射的目的[6]。本文設(shè)計(jì)天線中第2、3層介質(zhì)板選擇rε=2.2。第1、4層介質(zhì)板選用低介電常數(shù)的硬質(zhì)泡沫作為介質(zhì)支撐，可以降低有效厚度上的等效介電常數(shù)，從而達(dá)到降低Q值的目的，而且不容易產(chǎn)生形變。此處選擇介電常數(shù)rε=1.08的硬質(zhì)泡沫。

微帶貼片單元寬度Wp影響天線的方向圖、輻射電阻以及輸入阻抗，從而也影響著頻帶寬度和輻射效率。綜合考慮Wp取8.6 mm。因?yàn)樘炀€是雙極化天線，必須另加一個饋電端口，為對稱減小交叉極化，所以確定天線為正方型的貼片天線。

縫隙耦合微帶單元見圖2，兩層微帶介質(zhì)板均采用相對介電常數(shù)為2.2的聚四氟乙烯材料，上層介質(zhì)板厚度為1h=1 mm，下層介質(zhì)板厚度為3h=0.25 mm，饋線所在層硬質(zhì)泡沫厚度為1/4 波長即4h=8.2 mm。饋線采用50 ? 微帶開路線。

圖2 縫隙耦合微帶單元

縫隙耦合微帶單元的輻射貼片尺寸的確定與微帶貼片單元尺寸確定的方法類似，上層方形貼片邊長為aW，下層方形貼片邊長為Wp，兩個輻射貼片產(chǎn)生兩個相近的諧振頻率，展寬了天線的頻帶?？p隙沿該端口極化方向偏離中心的尺度標(biāo)為d，垂直于極化方向偏離中心的尺度標(biāo)為s。

通過ADS 軟件仿真調(diào)整H形槽的尺寸和調(diào)協(xié)枝節(jié)Lstup及輻射貼片的長度，可改善輸入端口的阻抗特性，對影響天線單元性能的各個參數(shù)計(jì)算優(yōu)化，得到天線單元尺寸，并對其進(jìn)行天線陣設(shè)計(jì)及仿真。

2 天線陣設(shè)計(jì)及仿真

將微帶雙極化天線單元、微帶單脈沖和差比較器及不等功分網(wǎng)絡(luò)組合即可形成微帶單脈沖雙極化天線陣。天線陣共5層，兩種極化形式的陣面分別處于不同的層面上，將“十”字型和差比較器放置在天線陣列中央，結(jié)構(gòu)緊湊且具有近似對稱的輸入端口，方便連接4個4×4 天線子陣。分別對垂直極化天線陣和水平極化天線陣進(jìn)行Designer3 軟件仿真。垂直極化端口被激勵時，饋電網(wǎng)絡(luò)如圖3所示，微帶單脈沖和差網(wǎng)絡(luò)的port1口對應(yīng)于和信號，port2口對應(yīng)于俯仰差信號，port3口對應(yīng)于方位差信號，port4口無用，可接匹配負(fù)載。中心頻率為9.2 GHz時仿真結(jié)果如圖4～6所示：

圖3 垂直極化微帶天線陣面

圖4 垂直極化和方向圖

圖5 垂直極化俯仰差方向圖

圖6 垂直極化方位差方向圖

圖4表示port1口激勵時，垂直極化的和方向圖，可以看到E面副瓣電平為?20.6 dB，H面副瓣電平為?20.1 dB，增益為25.5 dB。

圖5表示port2口激勵時，垂直極化的俯仰差方向圖，可以看到H面方向圖零深為?33.2 dB，E面方向圖零深為?32.3 dB。

圖6表示port3口激勵時，垂直極化的方位差方向圖，可以看到H面方向圖零深為?31.2 dB，E面方向圖零深為?30.5 dB。

水平極化微帶天線陣面原理及結(jié)構(gòu)與圖3相仿（圖略），水平極化端口被激勵時，在中心頻率9.2 GHz時仿真結(jié)果如圖7～9所示：

圖7 水平極化和方向圖

圖8 水平極化俯仰差方向圖

圖9 水平極化方位差方向圖

圖7表示port1口激勵時，水平極化的和方向圖，可以看到E面副瓣電平為20.4 dB，H面副瓣電平為20.3 dB，增益為26.7 dB。

圖8表示port2口激勵時，水平極化的方位差方向圖，可以看到E面零深為?31.8 dB，H面零深為?32.9 dB。

圖9表示port3口激勵時，水平極化的俯仰差方向圖，可以看到E面零深為?32.5 dB，H面零深為?31.6 dB。

3 結(jié)論

從仿真結(jié)果可以看出，在9.2 GHz的頻點(diǎn)上，本文設(shè)計(jì)的單脈沖雙極化微帶天線陣性能良好，垂直極化和水平極化的方向圖副瓣電平均優(yōu)于?20 dB，實(shí)現(xiàn)了低副瓣要求。該陣的垂直極化方向圖零深低于?30 dB，水平極化的方向圖零深低于?31 dB，增益、主瓣寬度也都能較好地滿足要求。天線差波束波形零點(diǎn)稍有偏移，經(jīng)分析認(rèn)為是振幅不平衡導(dǎo)致，這與天線陣的排布以及單元間距有關(guān)。這種設(shè)計(jì)如果得到應(yīng)用，將會很大程度上提高單脈沖雷達(dá)抗干擾的能力。

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