X波段二維寬帶寬掃背腔微帶天線

詹珍賢，王周海

(中國電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所，合肥 230088)

X波段二維寬帶寬掃背腔微帶天線

詹珍賢，王周海

(中國電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所，合肥 230088)

設(shè)計(jì)了一種X波段背腔微帶天線，采用探針和口徑耦合相結(jié)合的饋電方式實(shí)現(xiàn)了小單元間距下單層微帶貼片的寬帶工作，并弱化了饋線寄生輻射對方向圖的擾動(dòng)。設(shè)計(jì)加工了8×8單元的天線小陣。實(shí)測結(jié)果表明，該天線在設(shè)計(jì)要求的2GHz帶寬內(nèi)駐波小于1.5，駐波小于2的相對帶寬25%；方向圖測試結(jié)果表明實(shí)現(xiàn)了方位向45°、俯仰向30°的掃描，增益22.8dB，天線效率大于80%，可滿足二維寬帶寬掃瓦片天線的實(shí)際應(yīng)用需求。

微帶天線；背腔；瓦片天線；寬帶

0 引 言

隨著有源相控陣天線技術(shù)的快速發(fā)展，特別是機(jī)載、星載平臺(tái)的二維相掃有源相控陣?yán)走_(dá)，對射頻前端的體積、重量、設(shè)備量和集成度的要求越來越高，瓦片天線技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。瓦片天線(tile antenna)是指一種新型的高密度集成的有源相控陣天線系統(tǒng)，具有典型的薄而緊湊的“三明治”結(jié)構(gòu)，通常由天線輻射單元、T/R組件模塊、饋電網(wǎng)絡(luò)、電源、波控、冷卻管道等功能電路和結(jié)構(gòu)件層疊而成[1]。與目前雷達(dá)普遍采用的磚塊式結(jié)構(gòu)相比，瓦片天線融合了微波高密度互聯(lián)技術(shù)、MMIC技術(shù)、高密度微波封裝技術(shù)以及新型電子材料等關(guān)鍵技術(shù)，因而在體積小、重量輕、高密度集成、易于實(shí)現(xiàn)模塊化可擴(kuò)充等方面具有顯著優(yōu)勢，成為有源相控陣天線的重要發(fā)展方向。

天線輻射單元作為瓦片天線的關(guān)鍵組成部分之一，其性能指標(biāo)也至關(guān)重要。與波導(dǎo)、振子等天線形式相比，微帶貼片天線因其低剖面、輕重量、易于加工和集成等優(yōu)點(diǎn)，成為瓦片天線輻射單元的首選方案。但是，微帶貼片天線的效率較低、帶寬較窄，常規(guī)單層微帶貼片天線的相對工作帶寬僅為3%左右[2]；特別對于二維寬掃相控陣天線而言，其大掃描角限制了天線單元間距，進(jìn)一步增加了擴(kuò)展帶寬的難度。為了解決微帶天線的帶寬問題，通常采取的技術(shù)措施有多層微帶貼片結(jié)構(gòu)[3]、口徑耦合饋電形式[4]、背腔式微帶貼片[5-7]等。其中，背腔式微帶貼片天線因其結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點(diǎn)，近年來受到了廣泛關(guān)注。

本文設(shè)計(jì)了一種X波段8×8單元的平面單層微帶貼片天線，其輻射單元采用背腔式微帶貼片天線，饋電方式采用探針饋電和口徑耦合相結(jié)合的形式，在小單元間距下實(shí)現(xiàn)寬帶工作，同時(shí)滿足了瓦片天線高集成度的要求，并采取技術(shù)措施弱化饋電微帶線寄生輻射對方向圖的擾動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了單層微帶貼片天線的寬帶、寬掃、高效等優(yōu)良性能。

1 天線單元設(shè)計(jì)

為了滿足某SAR雷達(dá)方位向±45°、俯仰向±30°的二維寬角掃描要求，根據(jù)矩形柵格天線單元間距的計(jì)算公式：

(1)

其中，λ為天線的最小工作波長，θmax為天線偏離陣面法向的最大掃描角，△為天線單元數(shù)目的倒數(shù)。因此，天線單元間距定為15.6 mm(方位向)×18.8 mm(俯仰向)。為了實(shí)現(xiàn)該單元間距下天線陣列的寬帶工作，天線單元采用一種新型的背腔式微帶貼片天線，其結(jié)構(gòu)形式如圖1所示，由微帶電路板和帶矩形空氣背腔的金屬結(jié)構(gòu)板組成。

圖1 天線單元結(jié)構(gòu)示意圖

微帶電路板采用單層復(fù)介板，其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單、易于加工，且不受多層微帶板中粘接層的影響，可實(shí)現(xiàn)較高的輻射效率。其微帶電路圖如圖2所示，上表面為饋電微帶線，下表面為微帶貼片，貼片中蝕刻H形縫隙。該電路的設(shè)計(jì)原理為微帶線通過縫隙耦合并通過背腔底板反射為矩形貼片饋電，亦可將縫隙變換成U形等其他形狀[8]。

圖3所示為矩形貼片工作主模(TM01模)的電磁場分布圖，可知該貼片的耦合方式是磁耦合；同時(shí)，由于貼片中部的主模電場強(qiáng)度為零，可將貼片中部與地連接，可以有效抑制部分高階模式的存在，從而保證天線單元輻射方向圖的帶內(nèi)穩(wěn)定性。復(fù)介板下表面微帶的地和背腔壁之間采用焊接相連。

(a) 上表面 (b) 下表面

圖3 矩形貼片場分布

由于在微帶貼片背后設(shè)置空氣背腔，等效增加了微帶基板的厚度并降低了介質(zhì)的介電常數(shù)，即通過降低天線諧振點(diǎn)的Q值來擴(kuò)展天線的工作帶寬，且保持較低的損耗。設(shè)置在背腔底部的饋電探針穿過背腔，與微帶板上表面的饋電微帶線焊接。包圍探針的介質(zhì)套提供探針與背腔接地板之間的隔離，同時(shí)可以為微帶板提供結(jié)構(gòu)上的支撐，防止微帶板向背腔內(nèi)凹陷產(chǎn)生變形。饋電探針可采用SMP盲配連接器與T/R組件直接相連，符合瓦片天線典型的疊層結(jié)構(gòu)特征，并可減小饋電損耗，提高天線效率。因此，這種探針饋電和口徑耦合相結(jié)合的饋電方式，既實(shí)現(xiàn)了天線的寬帶工作，又滿足了瓦片天線高集成度的要求。由于饋電微帶線在上表面即天線的輻射面，其寄生輻射對天線單元的輻射方向圖會(huì)產(chǎn)生擾動(dòng)。為抵消弱化其影響，在微帶貼片中與饋電微帶線對稱的位置多設(shè)置了一條縫隙，如圖2(b)所示，整個(gè)貼片縫隙呈“山”形。仿真及測試結(jié)果表明，該措施是有效的。

2 仿真及測試結(jié)果

在上述天線單元設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，根據(jù)某SAR雷達(dá)的實(shí)際應(yīng)用需求，設(shè)計(jì)了8×8單元的背腔微帶天線小陣，通過電磁仿真軟件HFSS對天線單元和陣列進(jìn)行了建模和仿真優(yōu)化設(shè)計(jì)。微帶板選用ROGERS公司的RT6002，厚度為0.508 mm，相對介電常數(shù)為2.94。設(shè)計(jì)和加工出的背腔微帶天線小陣實(shí)物照片如圖4所示，其背腔深度為3 mm，背腔微帶天線的整體剖面高度小于10 mm(含SMP連接器)，符合瓦片天線低剖面的特點(diǎn)。

天線單元帶內(nèi)電壓駐波比的仿真和測試結(jié)果如圖5所示，實(shí)測結(jié)果和仿真曲線基本吻合，在要求的2 GHz帶寬內(nèi)的駐波小于1.5，在8.3～10.7 GHz帶寬內(nèi)的駐波小于2，相對帶寬約為25%。在室內(nèi)遠(yuǎn)場暗室對該天線小陣的方向圖進(jìn)行了測試，其中心頻率9.5 GHz方位向和俯仰向的典型方向圖如圖6所示，均勻加權(quán)時(shí)的副瓣電平小于-12.5 dB，并實(shí)現(xiàn)了方位向45°、俯仰向30°的掃描，滿足設(shè)計(jì)要求。測得增益為22.8 dB，天線輻射效率大于80%。

(a) 方位向方向圖

(b) 俯仰向方向圖

3 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了一種X波段背腔微帶天線，采用探針饋電和口徑耦合相結(jié)合的饋電方式，實(shí)現(xiàn)了單層微帶貼片小單元間距下的寬帶工作，滿足瓦片天線輕質(zhì)、低剖面、高集成度的要求。仿真和實(shí)測結(jié)果表明該天線在2GHz帶寬內(nèi)的駐波小于1.5，駐波小于2的相對帶寬為25%，實(shí)現(xiàn)了方位向45°、俯仰向30°的掃描，天線效率優(yōu)于80%，說明該天線具有寬帶、寬角掃描、高效等優(yōu)點(diǎn)，可以滿足二維寬帶寬掃瓦片天線的實(shí)際應(yīng)用需求。

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An X-band back cavity microstrip antenna with wideband and 2D wide scan

ZHAN Zhen-xian, WANG Zhou-hai

(No. 38 Research Institute of CETC, Hefei 230088)

An X-band back cavity microstrip antenna is designed. Fed by probe and aperture coupling, the single layer microstrip antenna can work with wideband in compact cell spacing, and the pattern disturbance by radiation of the feeder is weakened. An antenna array of 8×8 cells is designed and fabricated. The test results show that the VSWR within the designed 2GHz bandwidth is smaller than 1.5, and the relative bandwidth of the VSWR smaller than 2 is 25%. The patterns test results indicate that the scanning angle is 45° in azimuth and 30° in elevation. The gain is 22.8 dB and the antenna radiation efficiency is better than 80%. This antenna can be applied to the tile antenna with wideband and 2D wide scan.

microstrip antenna; back cavity; tile antenna; wideband

2014-02-25

詹珍賢(1982-)，男，工程師，博士，研究方向：有源相控陣天線；王周海(1969-)，男，研究員，碩士，研究方向：瓦片天線。

TN821+.4

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1009-0401(2014)02-0044-04