具備阻抗和低副瓣寬帶特性的脊波導(dǎo)縫隙陣列天線設(shè)計*

李佳美，官正濤

(中國西南電子技術(shù)研究所，成都610036)

1 引 言

波導(dǎo)縫隙陣列天線口徑分布易于控制，容易實現(xiàn)低副瓣，在雷達和通信系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用。然而縫隙陣列天線工作帶寬很窄，通常的解決方案是增加天線陣面分區(qū)數(shù)，但是分區(qū)數(shù)的增多會增加饋電網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜度，最終增大天線整體結(jié)構(gòu)的體積重量，這一缺陷使波導(dǎo)縫隙陣列天線在雷達領(lǐng)域的應(yīng)用受到限制［1］。

脊波導(dǎo)縫隙陣列天線能夠在一定程度上實現(xiàn)縫隙陣列天線的寬帶特性，但目前對寬帶縫隙陣列天線的寬帶研究多為天線阻抗寬帶研究，可查閱的駐波(VSWR)小于等于1.5 的阻抗帶寬最優(yōu)可達到14.9%［2］。對天線低副瓣寬帶特性研究尚不充分，副瓣低于－20 dB的副瓣特性設(shè)計多為點頻設(shè)計［1，3］，而副瓣帶寬要求10%以上的縫隙陣列天線其副瓣均高于－15 dB［2，4］，文獻中未見相關(guān)副瓣低于－15 dB的副瓣帶寬的研究，同時對天線的副瓣帶寬和阻抗帶寬特性進行設(shè)計的陣列天線形式更為少見。

本文設(shè)計了一種16 元的脊波導(dǎo)縫隙陣列天線，用脊波導(dǎo)代替矩形波導(dǎo)，并將16 元天線陣面分成兩個8 元子陣，在控制波導(dǎo)體積基礎(chǔ)上展寬天線的阻抗工作帶寬;又采用泰勒分布口徑幅度加權(quán)和輻射縫隙近場診斷方法調(diào)整縫隙參數(shù)，優(yōu)化天線低副瓣帶寬;饋電采用同軸與耦合縫隙結(jié)合的兩級饋電方式，減小了饋電網(wǎng)絡(luò)的體積重量，提高了饋電系統(tǒng)的效率。該天線具備高增益特性，同時實現(xiàn)了較寬的阻抗帶寬和低副瓣帶寬，且采用中心饋電方案，具有更廣泛的工程實用性。

2 天線結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 天線原理

線陣天線由頂部輻射單脊波導(dǎo)和底部饋電凹凸雙脊波導(dǎo)組成，如圖1所示。饋電凹凸雙脊波導(dǎo)采用同軸饋電方式，饋電凹凸雙脊波導(dǎo)上制有饋電耦合縫隙實現(xiàn)饋電凹凸雙脊波導(dǎo)對輻射單脊波導(dǎo)的耦合饋電;輻射單脊波導(dǎo)由兩個相同的單脊波導(dǎo)對接而成，從而將天線陣面分成兩個子陣。在單脊波導(dǎo)上表面無脊寬邊中心線兩側(cè)制有縱向偏置輻射縫隙，完成天線輻射。

圖1 線陣結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of linear array

2.2 天線設(shè)計

本文設(shè)計主要為了實現(xiàn)天線同時具備較寬的阻抗帶寬和低副瓣帶寬，目前波導(dǎo)縫隙天線阻抗寬帶研究較為成熟，但副瓣帶寬研究中副瓣電平大于－15 dB，低副瓣縫隙天線設(shè)計多為點頻設(shè)計，因此本天線設(shè)計難點在于保證天線阻抗帶寬的前提下拓展天線的低副瓣帶寬。

2.2.1 低副瓣寬帶設(shè)計

根據(jù)上文分析，本文設(shè)計難點在于天線的低副瓣寬帶設(shè)計，本文通過輻射縫隙的泰勒分布和縫隙近場優(yōu)化方法［1］兩種措施解決這一設(shè)計難題。

陣列天線方向圖由各個陣元的功率分配決定，已有文獻副瓣帶寬的設(shè)計中輻射縫隙分布多為均勻分布。分析均勻分布直線陣方向圖，緊靠主瓣的第一副瓣最大值比其他遠旁瓣的幅度都大，因此其副瓣電平以第一副瓣電平為準，理論值為－13.5 dB，因此已有文獻副瓣電平寬帶研究中天線副瓣電平均大于－15 dB。為了實現(xiàn)天線的低副瓣設(shè)計，本文縫隙口徑場幅值分布采用泰勒分布。泰勒陣列天線方向圖在靠近主瓣某個區(qū)域內(nèi)的副瓣電平接近相等，隨后單調(diào)地減小，有利于提高天線方向性，能夠更好折衷天線副瓣電平與波束寬度［5］。

圖2 5 元線陣仿真模型Fig.2 Simulation model of 5 elements array

圖3 天線俯仰方向圖仿真結(jié)果Fig.3 Simulated result of elevation beam

由于利用泰勒分布分析、提取輻射縫隙參數(shù)過程中未能考慮輻射縫隙之間以及線陣陣元之間的互耦和邊緣繞射等問題，輻射縫隙口徑面的電場幅度、相位分布會與理論值有差異，造成陣列天線方向圖改變，副瓣電平惡化［1］。本文采用文獻［1］中所采用的近場診斷方法優(yōu)化陣列天線副瓣電平。首先提取仿真結(jié)果中各輻射縫隙近場幅相參數(shù)與泰勒分布的理論值作對比，根據(jù)差異調(diào)整模型中輻射縫隙參數(shù)并重新進行仿真，反復(fù)進行上述兩個步驟直到天線副瓣達到最優(yōu)。另外，為減小線陣陣元間互耦，在線陣陣元間開扼流槽，使天線副瓣電平得到進一步優(yōu)化。優(yōu)化后方向圖仿真結(jié)果如圖4所示。對比圖3和圖4發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化后天線低頻端副瓣電平和中頻最優(yōu)副瓣均有明顯改善，高頻端副瓣電平無明顯差異，優(yōu)化后陣列天線實現(xiàn)了6.3%的低副瓣帶寬(SLL≤－19 dB)。

圖4 優(yōu)化后天線方向圖仿真結(jié)果Fig.4 Optimized result of elevation beam sidelobe level

2.2.2 阻抗寬帶設(shè)計

波導(dǎo)縫隙天線阻抗寬帶研究較為成熟，本文結(jié)合文獻［1－2］中拓展天線阻抗帶寬方法，主要通過矩形波導(dǎo)寬邊加脊、阻抗過載技術(shù)和增加陣面分區(qū)數(shù)實現(xiàn)天線的阻抗寬帶特性。脊波導(dǎo)是矩形波導(dǎo)的一種變形，在同樣橫截面尺寸下，脊波導(dǎo)單模工作的頻帶比矩形波導(dǎo)更寬［7］。阻抗過載技術(shù)可以實現(xiàn)天線的良好匹配［2］。增加天線陣面分區(qū)數(shù)與阻抗過載技術(shù)結(jié)合，在拓展天線帶寬的同時降低了饋電網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜度，有效控制了天線的體積重量。陣列天線駐波仿真結(jié)果如圖5所示，陣列天線阻抗帶寬達到7.3%(VSWR ＜1.5)。

圖5 天線駐波仿真結(jié)果Fig.5 Simulated result of VSWR

3 天線實驗測試結(jié)果及分析

加工完成天線測試件為8 根線陣組成的面陣，樣件如圖6所示。處于中間位置的4、5 號通道能夠較充分地考慮線陣陣元間互耦影響，測試時選取這兩根線陣進行駐波和遠場方向圖測試。圖7給出了5 通道駐波測試結(jié)果，與仿真結(jié)果相同，X 頻段內(nèi)VSWR ＜1.5 的駐波帶寬為7.3%，但中心頻率向高頻發(fā)生了偏移。圖8為5 通道遠場方向圖測試結(jié)果，頻段內(nèi)增益均大于16 dBi，最優(yōu)副瓣為－25.8 dB，與仿真結(jié)果對比，天線增益、最優(yōu)副瓣以及低頻端副瓣電平均有一定惡化，X 頻段內(nèi)副瓣電平小于等于－19 dB副瓣帶寬降到6.2%。天線測試結(jié)果顯示，天線的實際工作帶寬向高頻發(fā)生了偏移，這主要是由于天線加工的工藝誤差所致，但加工完成天線的最低副瓣以及副瓣帶寬均優(yōu)于已有文獻［1－4］，因此，依然可得出結(jié)論:該天線具有高增益特性以及阻抗寬帶特性和低副瓣寬帶特性。

圖6 天線實物正面結(jié)構(gòu)Fig.6 Front view of the fabricated antenna array

圖7 天線實測駐波比Fig.7 Measured result of VSWR

圖8 天線實測方向圖Fig.8 Measured result of elevation beam

4 結(jié) 論

本文設(shè)計加工了一種16×8 脊波導(dǎo)縫隙陣列天線，為了拓展天線阻抗帶寬，用單脊波導(dǎo)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的矩形波導(dǎo)，饋電采用同軸饋電與縫隙饋電結(jié)合的兩級饋電方式，與傳統(tǒng)的依靠增加天線陣面分區(qū)數(shù)來拓展天線工作帶寬的方法相比，這種阻抗過載技術(shù)增大天線工作帶寬同時能有效控制天線饋電網(wǎng)絡(luò)的體積、重量，有利于實現(xiàn)天線的小型化設(shè)計。為了降低天線副瓣，輻射縫隙分布舍棄傳統(tǒng)的均勻方式而采用泰勒分布，并利用近場診斷方法調(diào)整輻射縫隙參數(shù)以優(yōu)化天線副瓣。為了降低線陣陣元間互耦對天線性能影響，線陣陣元間加工扼流槽以增大陣元間隔離度。天線實物測試結(jié)果表明，天線在X 頻段最低副瓣達到－25.8 dB，副瓣電平帶寬(SLL ＜－19 dB)為6. 2%，駐波帶寬(VSWR ＜1. 5)為7.3%，與已有文獻相比，該天線同時具備阻抗寬帶特性和低副瓣寬帶特性，工作頻帶內(nèi)具有增益均大于16 dBi 的高增益特性，且天線體積小、重量輕，具有更廣泛的工程實用性。

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