X波段寬帶寬角掃描相控陣天線的設(shè)計(jì)

鄭 貴，王 建，司海峰，劉華濤，馬世娟

(電子科技大學(xué) 電子工程學(xué)院， 成都 611731)

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·天饋伺系統(tǒng)·

X波段寬帶寬角掃描相控陣天線的設(shè)計(jì)

鄭 貴，王 建，司海峰，劉華濤，馬世娟

(電子科技大學(xué) 電子工程學(xué)院， 成都 611731)

設(shè)計(jì)了一種X波段寬帶寬角掃描相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)的小型陣列天線，該天線采用Vivaldi天線做為陣列單元。在考慮陣列單元間的互耦效應(yīng)下，仿真設(shè)計(jì)了9×9小型陣列天線，使該陣列天線在相對(duì)帶寬達(dá)40%下的有源駐波系數(shù)小于2，其有源單元方向圖E面、H面的波瓣寬度分別達(dá)到120°、110°以上。對(duì)9×9天線陣的實(shí)物進(jìn)行了加工與測(cè)試，測(cè)試結(jié)果說(shuō)明了該陣列天線具有良好的寬帶寬角掃描特性。因該天線結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，重量輕，在相控陣?yán)走_(dá)天線中有很大的應(yīng)用價(jià)值。

X波段；相控陣天線；寬帶寬角掃描

0 引 言

相控陣天線廣泛應(yīng)用在通信、雷達(dá)、電子對(duì)抗等領(lǐng)域中，隨著近年來(lái)相控陣?yán)走_(dá)天線的快速發(fā)展，相控陣天線不僅要有寬頻帶性能，還應(yīng)滿足大空域?qū)捊菕呙璧奶攸c(diǎn)，寬帶寬角掃描相控陣天線設(shè)計(jì)已是當(dāng)今相控陣天線重要的發(fā)展趨勢(shì)。

文獻(xiàn)[1]提出了一種使用多層貼片天線設(shè)計(jì)的C-X波段寬帶寬角掃描天線，在E面、H面的掃描范圍分別為±45°、±60°；文獻(xiàn)[2]設(shè)計(jì)了一種以Vivaldi天線為陣列單元的X波段寬帶寬角掃描相控陣的單元天線，其E面、H面3 dB波瓣寬度達(dá)到90°、120°；文獻(xiàn)[3]則介紹了一種介質(zhì)切口、帶狀線Vivaldi陣列天線，研究了169單元陣列中的天線單元特性，在8 GHz～12 GHz的工作頻帶內(nèi)，其8 GHz～10 GHz頻帶內(nèi)的波瓣寬度大于100°。

本文針對(duì)X波段相控陣天線系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了一種Vivildi天線為陣列單元的改進(jìn)型天線陣，其阻抗相對(duì)帶寬達(dá)到40%，其有源單元方向圖E面、H面的波瓣寬度分別達(dá)到120°、110°以上，其輻射特性和有源反射系數(shù)特性E面、H面掃描角度分別達(dá)到±60°、±55°。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 單元天線

對(duì)于寬帶寬角掃描陣列天線的研究是一個(gè)熱門難點(diǎn)問(wèn)題，其中，關(guān)鍵之一就是陣列單元的選取。根據(jù)寬帶寬角相控陣天線的技術(shù)要求，天線陣元需選取阻抗頻帶寬，方向圖波瓣寬度大的天線單元。

Vivaldi天線是由Gibson于1979年提出的一種按曲線漸變的開(kāi)槽天線，理論上擁有極大的阻抗頻帶，非常適合做為相控陣天線的輻射單元[4]。這里我們采用帶狀線-槽線的饋電結(jié)構(gòu)來(lái)設(shè)計(jì)Vivaldi單元天線，天線結(jié)構(gòu)由兩層介質(zhì)層構(gòu)成，饋電線位于兩介質(zhì)層之間，介質(zhì)板兩側(cè)則為指數(shù)漸變的輻射槽縫，介質(zhì)基板選用了Taconic-TLX介質(zhì)板，相對(duì)介電常數(shù)為2.55、厚度為0.5 mm，如圖1所示。

圖1 單元Vivaldi天線模型

仿真優(yōu)化Vivaldi單元天線模型，天線各部分尺寸的優(yōu)化參數(shù)由表1給出，使得其E面、H面方向圖擁有足夠?qū)挼牟ò陮挾?，圖中的指數(shù)曲線方程為

y=C1epx+C2

其中，

表1 模型參數(shù)

1.2 陣列設(shè)計(jì)

小型陣列天線設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)大型陣列與相控陣?yán)走_(dá)天線的必要過(guò)程。小型陣列分析主要包括陣列單元間互耦影響下中心單元的輻射特性與有源反射系數(shù)特性。因?yàn)閱卧g距離越遠(yuǎn)互耦效應(yīng)越小，所以，陣列邊緣的單元天線對(duì)中心單元影響很小。通常，設(shè)計(jì)中心單元距離陣列邊緣2-3個(gè)波長(zhǎng)的小型陣列即可模擬大型陣列天線的性能特性。

相控陣天線設(shè)計(jì)中，要求波束掃描過(guò)程中不能出現(xiàn)柵瓣，而具有相同天線口徑時(shí)三角形排列形式相較于矩形排列，其陣列單元數(shù)量更少，可有效地減少天線成本[5]。因此，我們以Vivaldi天線作為陣列單元，采用三角排列形式設(shè)計(jì)了一個(gè)9×9陣列天線。根據(jù)陣列掃描時(shí)柵瓣抑制條件，選擇天線陣列的行間距、列間距分別為dx=12 mm、dy=13.5 mm，則陣列口徑直徑達(dá)到5個(gè)波長(zhǎng)。

為使天線陣列具有更好的寬角掃描特性，與常規(guī)Vivaldi天線陣相比，該天線陣有以下幾點(diǎn)改進(jìn)：

(1) 在天線陣口徑面上方覆蓋一層厚度為3 mm、εr=2.2的聚四氟乙烯介質(zhì)板，利用寬角掃描匹配介質(zhì)原理有效增加了天線陣的有源單元方向圖H面的波瓣寬度，再對(duì)上端覆蓋的介質(zhì)板進(jìn)行等距離分割(w=8 mm,dE=13.5 mm)，可有效地提高E面波瓣寬度[6]；

(2) 為減少單元天線間互耦影響，對(duì)各單元天線兩側(cè)進(jìn)行去方形邊槽(1.5 mm×6 mm)，基于缺陷地結(jié)構(gòu)形成了類似對(duì)稱陣子結(jié)構(gòu)，有效展寬了有源單元方向圖E面波瓣寬度；

(3) 在各行陣列單元間，添加高度3 mm的無(wú)源陣子以實(shí)現(xiàn)有源單元方向圖的波束展寬[7]。

(4) 在天線陣列下方覆蓋一層εr=1.1，厚度為2.5 mm的硬質(zhì)泡沫，起固定陣列單元作用，最終的天線陣模型如圖2所示。

圖2 9×9天線模型側(cè)視圖

2 陣列仿真結(jié)果

2.1 遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖

通過(guò)三維仿真軟件HFSS仿真得陣列中心單元的有源單元方向圖，如圖3所示；陣列全單元激勵(lì)時(shí)中心頻率f0不掃描和掃描60°的方向圖，如圖4所示；陣列單元全激勵(lì)時(shí)波束不掃描的中心單元有源駐波系數(shù)仿真結(jié)果如圖5所示。

圖3 中心單元的有源單元方向圖

圖4 中心頻率f0下陣列天線掃描方向圖

圖5 陣列單元全激勵(lì)中心單元有源駐波系數(shù)

表2給出了在頻率fL、f0、fH下中心單元的有源單元方向圖E面、H面的波瓣寬度，其E面波瓣寬度均大于120°，而H面也大于110°；其中，fL=(1-0.2)f0、f0、fH=(1+0.2)f0分別表示在X波段內(nèi)的低頻、中頻和高頻。

表2 中心單元激勵(lì)下單元方向圖波瓣寬度

全單元激勵(lì)時(shí)，在中心頻率f0下天線波束分別在E面、H面掃描至60°時(shí)的遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖均未出現(xiàn)柵瓣，而天線陣不掃描時(shí)中心單元有源駐波則小于1.62。陣列單元波瓣寬度越寬，陣列波束掃描時(shí)增益下降越緩慢，越有利于增加天線掃描角度。

2.2 S參數(shù)計(jì)算結(jié)果

陣列分析中，已知S參數(shù)根據(jù)式(1)可計(jì)算得陣列單元的有源反射系數(shù)隨天線掃描角的變化，進(jìn)而得到天線掃描增益損耗隨掃描角的變化，用以模擬天線陣列掃描時(shí)的有源反射系數(shù)特性與輻射特性[8]。根據(jù)圖2中的坐標(biāo)系，天線陣列的E面、H面分別為yoz面(φ=90°)、xoz面(φ0=0)，θ0、φ0分別為天線的掃描角度。

陣列中第i個(gè)單元天線的有源反射系數(shù)Ri(θ0,φ0)可由陣列各單元的S參數(shù)和位置向量計(jì)算而來(lái)，其表達(dá)式為

(1)

其中，

aj=|aj|exp[-j(xjkx+yjky)]

kx=k0sinθ0cosφ0

ky=k0sinθ0sinφ0

式中：(xj,yj)為第j個(gè)單元天線的坐標(biāo)位置；aj為天線單元的位置向量；k0=2π/λ為自由空間傳播常數(shù)；N為陣列天線單元總數(shù)。

使用HFSS仿真得陣列各單元端口與中心單元的S參數(shù)，計(jì)算出中心單元的有源反射系數(shù)隨E面、H面掃描角度變化曲線，如圖6所示?？梢钥闯?，在fL～fH頻帶內(nèi)天線在E面掃描至±60°時(shí)，中心單元的有源反射系數(shù)小于0.35。而H面掃描至 時(shí)，其中心單元的有源反射系數(shù)基本小于0.35。

駐波系數(shù)與反射系數(shù)關(guān)系式為

(2)

計(jì)算出天線陣列不掃描時(shí)其中心單元的有源駐波系數(shù)隨頻率的變化，有源駐波系數(shù)計(jì)算結(jié)果與HFSS仿真結(jié)果吻合一致。

圖6 天線的有源反射系數(shù)特性

而陣列增益隨掃描角方向的損耗與有源反射系數(shù)相關(guān)，增益損耗表示為

(3)

圖7a)、7b)分別給出了天線增益掃描損耗隨E面、H面掃描角度變化曲線?？梢钥闯鲈趂L～fH頻帶內(nèi)陣列天線在E面、H面進(jìn)行±60°掃描時(shí)，其增益損耗均小于4 dB。

圖7 天線的輻射特性

總結(jié)以上仿真結(jié)果，在相對(duì)帶寬40%下，其有源單元方向圖E面、H面的波瓣寬度分別達(dá)到120°、110°以上，其輻射特性和有源反射系數(shù)特性E面、H面掃描角度分別達(dá)到±60°、±55°，說(shuō)明了該陣列天線擁有良好的寬帶寬角掃描特性。

3 加工與測(cè)試

3.1 天線加工

加工得9×9天線陣列實(shí)物樣件如圖8所示。我們?cè)谟靡怨潭嚵袉卧奶炀€底座上覆蓋了吸波材料來(lái)減少天線底座的反射影響，并在各天線單元下端延長(zhǎng)了天線的饋電帶狀線與SMA接頭相連。各天線端口連接上匹配負(fù)載后，在微波暗室內(nèi)測(cè)得天線陣的中心單元的有源單元方向圖。

圖8 天線加工與測(cè)試

3.2 遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖實(shí)測(cè)

圖9分別給出了9×9天線陣列在頻率fL、f0、fH下中心單元激勵(lì)的E面、H面有源單元實(shí)測(cè)歸一化方向圖。

圖9 天線實(shí)測(cè)中心單元的有源單元方向圖

表3給出了圖9中在頻率fL、f0、fH下中心單元的有源單元方向圖E面、H面的波瓣寬度。該天線陣列在相對(duì)帶寬40%下，有源單元方向圖E面波瓣寬度均大于110°，H面則大于100°。

表3 天線實(shí)測(cè)方向圖波瓣寬度

3.3 S參數(shù)實(shí)測(cè)

使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀實(shí)測(cè)得各天線端口與中心端口的S參數(shù)，同樣計(jì)算得中心單元的有源反射系數(shù)隨天線掃描角度的變化曲線如圖10所示；天線增益損耗隨天線掃描角度的變化曲線如圖11所示；陣列單元全激勵(lì)時(shí)波束不掃描的中心單元有源駐波系數(shù)實(shí)測(cè)計(jì)算結(jié)果如圖12所示。

圖10 實(shí)測(cè)天線的有源反射系數(shù)特性

從以上實(shí)測(cè)結(jié)果來(lái)看，該陣列天線在相對(duì)帶寬40%的頻帶寬度下，中心單元的有源單元方向圖E面、H面的波瓣寬度分別達(dá)到110°、100°以上。除中心頻率f0時(shí)有源反射系數(shù)小于0.35的H面掃描范圍為±45°，而E面及H面其他頻點(diǎn)的掃描范圍基本滿足±60°。當(dāng)天線在E面、H面進(jìn)行±60°掃描時(shí)，其增益損耗均小于4 dB。而全激勵(lì)時(shí)中心單元不掃描時(shí)的有源駐波系數(shù)小于1.8。

實(shí)測(cè)結(jié)果與仿真結(jié)果相比較可知，陣列天線的有源單元方向圖波瓣寬度略有變窄，中心頻點(diǎn)f0的H面掃描角度略有減小。我們分析這可能是天線底座的影響、天線焊接差異和實(shí)測(cè)誤差等原因造成的。不過(guò)仍然可以判斷，該天線陣列具有良好的寬帶寬角掃描特性。

圖11 實(shí)測(cè)天線的輻射特性

圖12 中心單元實(shí)測(cè)的有源駐波系數(shù)

4 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了一種工作在X波段內(nèi)的寬帶寬角掃描相控陣?yán)走_(dá)天線。從仿真和實(shí)測(cè)結(jié)果來(lái)分析，該陣列天線均具有良好的寬帶寬角掃描特性，其相對(duì)帶寬達(dá)到40%，有源反射系數(shù)特性和輻射特性E面、H面掃描范圍基本達(dá)到±60°、±55°。對(duì)于相控陣?yán)走_(dá)天線系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)，具有很大的應(yīng)用前景。

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鄭 貴 男，1991年生，碩士研究生。研究方向?yàn)樘炀€理論與設(shè)計(jì)。

王 建 男，1956年生，教授。研究方向?yàn)樘炀€理論與設(shè)計(jì)，計(jì)算電磁學(xué)。

司海峰 男，1989年生，碩士研究生。研究方向?yàn)樘炀€理論與設(shè)計(jì)。

劉華濤 男，1991年生，碩士研究生。研究方向?yàn)樘炀€理論與設(shè)計(jì)。

馬世娟 女，1989年生，碩士研究生。研究方向?yàn)樘炀€理論與設(shè)計(jì)。

Design of X-band Wide-angle Scanning Phased Array Atenna

ZHENG Gui，WANG Jian，SI Haifeng，LIU Huatao， MA Shijuan

(School of Electronic Engineering,University of Electronic Science and Technology of China, Chengdu 611731, China)

An X-band wide-band wide-angle scanning phased array radar antenna is designed, and Vivaldi antenna is used as the element of the array . Considering the mutual coupling effect between array units, 9×9 array is simulated and analyzed. Working in a bandwidth of 40%, active VSWR of the array is less than 2, and satisfies a symmetric pattern with 3 dB beam width better than 120° and 110° in the E-plane and H-plane, respectively. A 9×9 array antenna is fabricated and measured, the test result shows that the antenna array has a good characteristic of wide-band wide-angle scanning. Because of the simple structure and light weight, the array has a great application value in phased array.

X-band; phased array antenna; wide-band wide-angle scanning

10.16592/ j.cnki.1004-7859.2015.10.012

鄭貴 Email：zgisi2017@163.com

2015-06-12

2015-09-15

TN82

A

1004-7859(2015)10-0046-05