高集成層積陣列天線設(shè)計(jì)

劉小飛，郭永志，郭先松，孫 磊

(1.南京電子技術(shù)研究所，南京 210039;2.天線與微波技術(shù)國(guó)防重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210039)

(3.中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七二四研究所，南京 211153)

0 引言

由于機(jī)載平臺(tái)、星載平臺(tái)以及臨近空間平臺(tái)限定配給能量、限定搭載重量、擔(dān)負(fù)更多功能、對(duì)抗更惡劣環(huán)境的固有特征，對(duì)雷達(dá)的重量、體積要求非?？量獭ｋS著高集成相控陣天線技術(shù)的不斷發(fā)展，天線的架構(gòu)拓展延伸，通過高密度芯片級(jí)、模塊級(jí)、組件級(jí)的三維融合積層，不斷提高集成化程度，天線的架構(gòu)體系逐步過渡到開放式、模塊化方向。

因此，在高性能、高密度以及多功能等一系列約束條件下，相控陣天線面臨著革命性的變化要求:不僅技術(shù)上要朝著數(shù)字化和綜合化發(fā)展，同時(shí)，在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)及組成上也朝著集成化、輕型化和規(guī)?；较蜓葑?。當(dāng)前，三維積層組裝技術(shù)的高密度高集成相控陣天線正適應(yīng)于天線領(lǐng)域的這一發(fā)展需求，其在電子裝備和系統(tǒng)中的地位將得到進(jìn)一步強(qiáng)化，未來(lái)在機(jī)載、星載及空天載各型平臺(tái)上都將大有用武之地。

國(guó)外在現(xiàn)代三維高集成天線技術(shù)的研究起步較早，在平面相控陣天線、簡(jiǎn)單共形相控陣天線的基礎(chǔ)上[1-2]，依托機(jī)載、星載、臨近空間太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)載和艇載平臺(tái)的發(fā)展和需求，在天線技術(shù)方面由點(diǎn)到面，由器件、部件到鏈路和系統(tǒng)，相應(yīng)的研發(fā)攻關(guān)工作已邁過初級(jí)階段，向原理樣機(jī)階段邁進(jìn)，技術(shù)積累仍在不斷完善。近幾年來(lái)，國(guó)內(nèi)對(duì)機(jī)載、臨近空間艇載、太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)載及星載領(lǐng)域也投入了大量的資源進(jìn)行全方位的研究與探索。與國(guó)外的關(guān)注重點(diǎn)相同，國(guó)內(nèi)對(duì)高集成天線陣列的研究也已開始，已開展部分器件級(jí)或模塊級(jí)的研究工作。

本文首先介紹該方向的應(yīng)用背景和發(fā)展趨勢(shì);第1節(jié)介紹所提出的有源陣列天線單元的物理模型;第2節(jié)針對(duì)該單元形式進(jìn)行了性能分析和陣列設(shè)計(jì);第3節(jié)所描述的測(cè)試結(jié)果展示了層積天線的工程可應(yīng)用性;第4節(jié)指出層積高集成天線陣列的應(yīng)用特點(diǎn)。

1 模型描述

本文所提出的天線單元為多層結(jié)構(gòu)，共八層，如圖1所示，每層(自下而上)的參數(shù)和特征如下:

第一層厚度為L(zhǎng)1，介電常數(shù)為ε1，第一層的底部，即單元底部除饋電位置完整覆銅;

第二層厚度為L(zhǎng)2，介電常數(shù)為ε2，該層實(shí)現(xiàn)垂直連接到平面?zhèn)鬏數(shù)霓D(zhuǎn)換，同時(shí)實(shí)現(xiàn)帶狀線到微帶線的轉(zhuǎn)換;

第三層為縫隙饋電層，縫隙采用工字型縫隙，提高寬帶性能，其厚度為L(zhǎng)3，介電常數(shù)為ε3，材料可選亞龍AD系列;

第四層厚度為第一層覆銅貼片層，其厚度為L(zhǎng)4，介電常數(shù)為ε4;

第五層為硬泡沫層，其厚度為L(zhǎng)5，介電常數(shù)為ε5，ε5≤1.1;

第六層為第二層覆銅貼片層，厚度為L(zhǎng)6，介電常數(shù)為ε6，材料可選相對(duì)低介電常數(shù)的印制板;

第七層為硬泡沫層，其厚度為L(zhǎng)7，介電常數(shù)為ε7;

第八層厚度為L(zhǎng)8，介電常數(shù)為ε8，其功能是作為寬角阻抗匹配層，簡(jiǎn)稱為 WAIM層，加載了WAIM層可以拓展天線的掃描帶寬，可選中等介電常數(shù)的材料。

圖1 層積輻射單元三維模型圖

各層之間的覆銅圖形如圖2所示，覆銅在介質(zhì)板上實(shí)現(xiàn)，所有過孔為金屬過孔，但對(duì)于單元整體而言，金屬過孔為盲孔，加工制造過程中采用多層壓合，部分過孔對(duì)于局部多層為通孔。饋電部分采用垂直互聯(lián)實(shí)現(xiàn)，在第一層的垂直連接處裝SMP接頭實(shí)現(xiàn)饋電，轉(zhuǎn)接頭采用SMP連接器。

圖2 層積輻射單元分層結(jié)構(gòu)圖

圖3為天線單元的俯視圖。從俯視圖中可以看出天線的整體覆銅圖形結(jié)構(gòu)。天線單元的尺寸定義如下:單元長(zhǎng)為Dy，寬為Dx，第二層的帶狀線微帶線轉(zhuǎn)換位置為Dyo，過孔直徑為v1和v2，垂直連接的饋線寬度為f1，并聯(lián)轉(zhuǎn)換后的寬度為f2，微帶線寬度為f3，工字型縫隙耦合的寬度為s1，高度為s2，臂長(zhǎng)為s3，第一層貼片的邊長(zhǎng)為pl1，倒角后的邊長(zhǎng)為pl2，第二層貼片的邊長(zhǎng)為ps1，倒角后的邊長(zhǎng)為ps2。

圖3 層積輻射單元二維結(jié)構(gòu)圖

單元設(shè)計(jì)所使用的頻率為寬帶內(nèi)中頻，中頻所對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)為λc。天線相關(guān)參數(shù)與各介質(zhì)層的介電常數(shù)見表1、表2。

表1 天線的電尺寸

表2 各介質(zhì)層的介電常數(shù)

從表中可以看出，天線單元的總高度為

可見，單元剖面總高度遠(yuǎn)小于槽線單元實(shí)現(xiàn)的單元高度，而寬角阻抗匹配層的厚度也比較小，地板與基片之間的距離接近1/4個(gè)波長(zhǎng)，接近理論值。從天線單元的電尺寸上可以看出已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了寬帶天線單元的小型化。

2 性能分析和陣列設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)貼片天線由一塊介質(zhì)基片、位于介質(zhì)基片上的金屬貼片和金屬地平面三部分構(gòu)成。其輻射是由貼片邊緣與金屬地平面之間的等效窄縫形成的，由于沿傳輸線方向相距半個(gè)線上波長(zhǎng)的兩縫上電場(chǎng)等幅反向，因而，對(duì)應(yīng)的面磁流等幅同向，根據(jù)二元陣的理論，其輻射場(chǎng)在貼片的法線方向呈最大值。這樣的輻射機(jī)理決定了其頻帶狹窄的固有缺點(diǎn)，研究人員和工程師一直在探尋拓寬頻帶的途徑[3-6]。歸納起來(lái)，目前貼片天線的寬頻帶技術(shù)大致可以有三類:1)采用低介電常數(shù)厚基板;2)采用多諧振模式，而實(shí)現(xiàn)多諧振模式的方法可對(duì)貼片進(jìn)行開槽設(shè)計(jì)、多貼片寄生設(shè)計(jì)或者多層貼片設(shè)計(jì);3)改進(jìn)常規(guī)的饋電方式，例如:附加阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)、電磁耦合饋電、孔徑耦合饋電、L形或者折疊形探針饋電等[7-9]。

本文綜合采用以上多種擴(kuò)展帶寬的方式，大幅提高帶寬。利用全波仿真軟件對(duì)當(dāng)前參數(shù)的輻射單元進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，在周期環(huán)境下，分別從掃描駐波、方向圖特性、交叉極化、輻射效率等方面進(jìn)行評(píng)估。層積一體化單元的掃描駐波如圖4所示。

圖4 有源駐波

可以看出在寬帶頻率內(nèi)，掃描角在0°～45°范圍(間隔為15°)內(nèi)，VSWR均小于2.4。圖5給出了天線單元的方向圖與交叉極化。

圖5 主極化和交叉極化方向圖

由天線單元方向圖可以看出，波瓣寬度很寬，天線的交叉極化均小于-25 dB。

如圖6所示，在不計(jì)單元駐波損耗的情況下，其效率可達(dá)到96%以上。針對(duì)上述單元性能，對(duì)之進(jìn)行陣列設(shè)計(jì)。本文按照三角形排布方式組陣，如圖7所示。

圖6 單元效率(不計(jì)單元駐波損耗)

圖7 陣列形式

采用電磁仿真軟件對(duì)該8×8陣列進(jìn)行仿真優(yōu)化，獲得優(yōu)先陣列條件下陣中單元和陣列方向圖特性，如圖8、圖9所示。

圖8 有限陣列單元特性

圖9 有限陣列典型方向圖(fc)

由圖可見，所設(shè)計(jì)的低剖面層積單元具有良好的寬帶輻射特性，能夠在小單元間距條件下獲得理想的寬帶寬角阻抗特性，單元方向圖滿足天線掃描范圍;駐波在工作頻帶內(nèi)小于2.5;輻射單元為層疊結(jié)構(gòu)，采用垂直互聯(lián)耦合，容易實(shí)現(xiàn)同軸饋電，并易于與后端網(wǎng)絡(luò)集成設(shè)計(jì)，為陣面剖面進(jìn)一步降低創(chuàng)造有利條件;同時(shí)，該種天線易于加工，印制板加工工藝能夠?qū)崿F(xiàn)理想的誤差控制，加工精度要求小于線尺寸的1%。

3 測(cè)試結(jié)果

針對(duì)上述的陣列規(guī)模，我們進(jìn)行了試驗(yàn)件的研制和測(cè)試評(píng)估，陣列樣件如圖10所示。

圖10 實(shí)驗(yàn)陣列樣件

典型陣中單元的駐波特性如圖11所示，在E面掃描±45°條件下，整個(gè)相應(yīng)帶寬范圍(40%帶寬)內(nèi)，有源駐波小于2。而在H面掃描±45°條件下，帶內(nèi)有源駐波小于3，與仿真結(jié)果基本吻合。從而驗(yàn)證了多諧振模式拓展相控陣頻帶技術(shù)方案和途徑的可行性。

圖11 樣件陣中單元掃描駐波

4 結(jié)束語(yǔ)

本文通過理論仿真與原理性實(shí)驗(yàn)研究證實(shí)了基于多諧振模式的低剖面超寬帶層積陣列天線具有超寬頻帶特性，驗(yàn)證了多諧振模式拓展相控陣頻帶技術(shù)方案和途徑的可行性;制作了8×8單元的平面層積超寬帶陣列天線實(shí)驗(yàn)樣件，通過實(shí)驗(yàn)測(cè)試證實(shí)了這種超寬帶陣列具有40%的工作頻段、±45°的大掃描范圍等突出優(yōu)點(diǎn)。

結(jié)合工程實(shí)踐，該類陣列天線可以運(yùn)用于機(jī)載、星載、臨近空間太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)載和艇載等平臺(tái)，其層積、低剖、輕量特性正適應(yīng)于該類平臺(tái)領(lǐng)域的天線發(fā)展需求。

[1]Waterhouse R B.Design and performance of large phased arrays of aperture stacked patches[J].IEEE Transactions on Antennas and Propagation，2001，49(2):292-297.

[2]Xiao S Q，Shao Z H，Wang B Z，et al.Design of low-profile microstrip antenna with enhanced bandwidth and reduced size[J].IEEE Transactions on Antennas and Propagation，2006，54(5):1594-1599.

[3]Kaya A，Yuksel E Y.Investigation of a compensated rectangular microstrip antenna with negative capacitor and negative inductor for bandwidth enhancement[J].IEEE Transactions on Antennas and Propogation，2007，55(5):1275-1282.

[4]Au T M，Luk K M.Effect of parasitic element on the characteristics of microstrip antenna[J].IEEE Transactions on Antennas and Propogtaion，1991，39(8):1247-1251.

[5]Lai H W，Luk K M .Wideband patch antenna with low cross-polarization[J].Electronics Letters，2004，40(3):159-160.

[6]Kizimenko V .New broadband microstrip antenna design[C]//2011 VIII International Conference on Antenna Theory and Techniques.Kyiv:IEEE Press，2011:153-155.

[7]Wu W W，Yin J X，Yuan N C.Design of an efficient xband waveguide-fed microstrip patch array[J].IEEE Transactions on Antennas and Propagation，2007，55(7):1933-1939.

[8]Yun W S，Yoon Y J.A wide-band aperture coupled microstrip array antenna using inverted feeding structures[J].IEEE Transactions on Antennas and Propagation，2005，53(2):861-862.

[9]Chen Z N，Chia M Y W.Broadband planar antennas:design and applications[M].NewYork:John Wiley＆ Sons Ltd，2005.