一種低剖面帶狀線結(jié)構(gòu)的一體化陣列天線設(shè)計

邵曉龍，楊薛軍，李麗嫻,林 鑫，陳冬宇

(1.上海航天電子通訊設(shè)備研究所，上海 201109；2.駐上海航天局804所軍代室，上海 201109)

一種低剖面帶狀線結(jié)構(gòu)的一體化陣列天線設(shè)計

邵曉龍1，楊薛軍2，李麗嫻1,林 鑫1，陳冬宇1

(1.上海航天電子通訊設(shè)備研究所，上海 201109；2.駐上海航天局804所軍代室，上海 201109)

基于陣列天線小型化的設(shè)計需求，設(shè)計了一種低剖面帶狀線結(jié)構(gòu)的一體化陣列天線。天線采用帶狀線結(jié)構(gòu)，利用兩排均勻分布的金屬化通孔充當(dāng)帶狀線之間的金屬隔離墻，并通過對雙面印刷偶極子天線、饋電網(wǎng)絡(luò)以及監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的一體化設(shè)計來實現(xiàn)的一款低剖面陣列天線。天線高度僅70 mm，滿足在C波段18%的相對帶寬內(nèi)獲得-28 dB的低副瓣性能。該一體化陣列天線具有結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、可靠性強和監(jiān)測功能等優(yōu)點，便于和有源器件集成。同時，該天線滿足實際使用要求，其設(shè)計思路和設(shè)計方法具有很好的可擴展性。

低剖面；帶狀線；雙面印刷偶極子；一體化設(shè)計

Abstract Based on the design requirement of array antenna miniaturization,a low-profile stripline integrative array is designed in the paper.The low-profile stripline array is realized by using two rows of evenly distributed through-holes as metal isolation wall between striplines and by the integrative design of the double-faced printed dipole antenna,feeding network,and monitoring network.On the basis of achieving a very low level of sidelobe of -7 dB in the operating band，the height of antenna is only 70 mm.The integrative array antenna facilitates the integration with the active components featuring compact structure,light weight,high reliability and monitor function.At the same time,the antenna meets the requirements of the practical application,and its design idea and method are of great expansibility．

Key words low-profile;stripline;double-faced printed dipole;integrative design

0 引言

隨著現(xiàn)代相控陣雷達技術(shù)的不斷發(fā)展,要求陣列天線做到輕量、性能可靠。采用天饋一體化設(shè)計，避免天線單元與功分器相互之間采用的電纜連接,結(jié)構(gòu)緊湊,集成度高,便于制造和裝配,可大大降低成本,增加天線的可靠性能;同時一體化設(shè)計還適合于用印刷電路技術(shù)大批量生產(chǎn),是用于大型天線陣的一種理想結(jié)構(gòu)形式。在采用一體化設(shè)計的基礎(chǔ)上，目前大量文獻采用了帶狀線結(jié)構(gòu)設(shè)計,但大都使用多層結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)。其中文獻[1]采用了5層介質(zhì)來實現(xiàn)了一種準空氣帶狀線結(jié)構(gòu)設(shè)計[1]；文獻[2]采用了3層介質(zhì)設(shè)計了一種帶狀線結(jié)構(gòu)線陣天線[2]；文獻[3]采用了2層結(jié)構(gòu)完成了一種帶狀線結(jié)構(gòu)的陣列天線設(shè)計[3]。這樣會在安裝過程中引入裝配誤差，在長期的使用過程中不同介質(zhì)層之間也有產(chǎn)生縫隙的風(fēng)險。同時，只能在饋電網(wǎng)絡(luò)尺寸和天線性能尋找一個平衡，不能解決低剖面下的帶狀線之間的耦合影響。本文將天線單元、饋電網(wǎng)絡(luò)和校正網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)一采用帶狀線結(jié)構(gòu)，并利用兩排均勻分布的金屬化接地孔充當(dāng)帶狀線之間的金屬隔離墻進行一體化設(shè)計，從而實現(xiàn)了天線的低剖面，極大地降低了天線的高度和減小了整個陣面的重量。同時，該天線具備結(jié)構(gòu)緊湊、集成度高、可靠性強和校正功能等優(yōu)點。

1 關(guān)鍵技術(shù)

1.1 天線單元

印刷偶極子天線主要有3種饋電結(jié)構(gòu)形式[4]：微帶耦合饋電巴倫結(jié)構(gòu)[5]、帶狀耦合饋電巴倫結(jié)構(gòu)和帶狀混合環(huán)直接饋電巴倫結(jié)構(gòu)。采用微帶耦合饋電形式，損耗比較大，其電性能也很容易受外界復(fù)雜電磁環(huán)境的影響，而帶狀混合環(huán)巴倫結(jié)構(gòu)僅限用于窄帶系統(tǒng)。最終選擇了一種帶狀耦合饋電巴倫結(jié)構(gòu)的單元天線，并且采用雙面輻射振子結(jié)構(gòu)，不僅可獲得較寬的帶寬及良好的方向圖特性，并且這種結(jié)構(gòu)形式更容易和帶狀線結(jié)構(gòu)的功分器實現(xiàn)一體化設(shè)計[6]。

本文所采用的雙面印刷偶極子天線由2層厚度為1.5 mm的介質(zhì)上下印刷偶極子天線、中間印刷巴倫饋電網(wǎng)絡(luò)組成。在利用簡單的傳輸線理論，并對平衡饋電巴倫結(jié)構(gòu)進行等效電路分析的基礎(chǔ)上，對帶狀線饋電巴倫結(jié)構(gòu)的特性阻抗、線長和線寬等參數(shù)進行初步設(shè)計計算，并通過仿真對各個參數(shù)進行優(yōu)化設(shè)計，最終得到陣子天線的具體尺寸為h=14 mm，h1=8.5 mm，h2=8.5 mm，h3=11 mm，w1=0.4 mm，w2=1 mm，w3=2.5 mm，w4=7.6 mm，w5=3 mm，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 天線單元結(jié)構(gòu)

經(jīng)理論計算和仿真優(yōu)化設(shè)計，天線單元的駐波(VSWR)仿真曲線和單元輻射方向圖如圖2和圖3所示。由仿真結(jié)果可知，在工作頻帶內(nèi)的駐波系數(shù)小于1.3，低頻點和高頻點處的3 dB 波束寬度θE>80°，θH>60°(其中，θE表示天線E面的半功率波瓣寬度;θH表示天線H面的半功率波瓣寬度)，表明該天線在H面上具有較寬的波束寬度，為相控陣雷達天線在H面實現(xiàn)一維寬角掃描提供了必要的前提條件。

圖2 駐波仿真曲線

圖3 天線單元E面和H面方向圖

1.2 饋電網(wǎng)絡(luò)

在工程設(shè)計中，采用泰勒綜合法是實現(xiàn)天線低副瓣特性的一種常用方法。根據(jù)技術(shù)指標要求，并考慮到實際設(shè)計加工誤差和單元之間的互耦影響，本文按照-32 dB的副瓣電平進行仿真設(shè)計。根據(jù)線陣各單元泰勒分布公式[7]，計算各個端口的泰勒分布值[8]。由于32個端口的饋電電流中心對稱，經(jīng)歸一化后得到其中16個端口的電流加權(quán)分布[9]如表1所示。

本文設(shè)計的饋電網(wǎng)絡(luò)采用帶狀線形式的樹狀拓撲結(jié)構(gòu)實現(xiàn)，由若干個一分二功分器并聯(lián)構(gòu)成。為獲得較寬頻帶內(nèi)較小的幅度相位起伏，通過合理設(shè)計盡量減少大功分比，同時采用2節(jié)變換段來設(shè)計。由于對稱性，可只對一半饋電網(wǎng)絡(luò)進行設(shè)計，并利用隔離墻減小帶狀線之間的互耦影響，以此進行了小型化設(shè)計，最終在55 mm的高度內(nèi)設(shè)計了一款1分16功分饋電網(wǎng)絡(luò)，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。經(jīng)阻抗變換理論計算和仿真優(yōu)化設(shè)計，在工作頻帶((fH-fL)/f0=18%) 內(nèi)可得最終各個端口的幅度和相位仿真值如圖5所示。

表1 饋電網(wǎng)絡(luò)歸一化電流加權(quán)分布值

圖4 結(jié)構(gòu)示意

圖5 1分16功分器各端口幅度相位仿真結(jié)果

1.3 監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)

在大型相控陣天線[10]系統(tǒng)中，為保證天線使用時每條行饋正常工作，在使用之前需要先對每條行饋信號進行監(jiān)測。本文通過耦合器從每條行饋天線的饋電口耦合出小部分信號的能量，并將各路信號通過后端的合成網(wǎng)絡(luò)合成一路監(jiān)測信號。為了避免監(jiān)測信號對天線增益的影響，同時保證監(jiān)測信號的有效性，故要求耦合信號比天線信號低30 dB附近。為了實現(xiàn)行饋天線的一體化設(shè)計，本文采用了耦合度為-30 dB的帶狀平行耦合線定向耦合器，經(jīng)仿真優(yōu)化可得H=2.06 mm,L=5.8 mm,其結(jié)構(gòu)如圖6所示。在工作頻帶內(nèi)，耦合度起伏在-30 dB±0.3 dB內(nèi)，仿真結(jié)果如圖7所示。

圖6 平行耦合線定向耦合器結(jié)構(gòu)

圖7 耦合曲線(仿真)

2 線陣一體化設(shè)計

如果直接將天線單元、饋電網(wǎng)絡(luò)以及監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)進行集成處理，仿真得到天線電性能不佳，無法滿足設(shè)計指標要求。這是由于天線單元直接的互耦作用以及單元/饋網(wǎng)/監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)[11]之間的阻抗失配，改變幅相分配規(guī)律，導(dǎo)致天線副瓣電平性能惡化。本文先將32個雙面印刷偶極子輻射單元按42.6 mm等間距排列仿真，在相鄰2個單元中間添加一個寬3 mm、高5 mm的金屬隔離墻，這樣可以有效減小天線單元之間的互耦。同時，功分網(wǎng)絡(luò)與天線單元進行一體化設(shè)計[12-13]，通過仿真優(yōu)化，微調(diào)節(jié)各級阻抗變換段的線寬，解決了天線單元與饋電網(wǎng)絡(luò)的阻抗失配問題。取行饋天線中的一段饋電網(wǎng)絡(luò)添加監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，通過優(yōu)化調(diào)整平行帶狀線的長度和距離獲得需要的耦合能量，并在饋網(wǎng)和監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)之間添加金屬隔離墻，盡量減小監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)對行饋天線的影響。通過一步步的仿真優(yōu)化，最終完成了對行饋天線的一體化設(shè)計，此款天線的高度僅為70 mm，其仿真模型如圖8所示。

圖8 天線一體化結(jié)構(gòu)模型

3 線陣實現(xiàn)以及應(yīng)用分析

行饋天線采用的是帶狀線結(jié)構(gòu)，其是利用半固化片，將上下2塊微帶板粘合為一體，避免了多層結(jié)構(gòu)引入的安裝誤差問題。同時，利用雙排等間距交叉排列的金屬接地過孔代替天線單元、饋電網(wǎng)絡(luò)、監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)之間的金屬隔離墻，其孔徑為0.5 mm，孔間距為1.5 mm，行距為0.5 mm，由此降低了天線重量和加工成本，且便于大批量生產(chǎn)。線陣外圍包有0.5 mm厚的玻璃布，并采用具有插拔功能的射頻接頭，由此略去了以往相控陣天線研制中所使用的大天線罩，實現(xiàn)天線輕型化的同時，使拆裝方便，提高了產(chǎn)品的可維護性。

通過矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對這款行饋天線產(chǎn)品進行輸入口駐波比和耦合口電平繼續(xù)測試，其實測結(jié)果如圖9所示。在工作頻帶內(nèi)，2個輸入端口的駐波均小于1.5，2個耦合口電平在30±1.5 dB內(nèi)，滿足設(shè)計要求。

圖9 天線駐波和耦合口電平的實測結(jié)果

將一個等幅同相的一分二功分器兩輸出口分別于行饋的2個輸入口連接，并在耦合口與50 Ω匹配負載連接，在緊縮場微波暗室對天線工作頻帶內(nèi)等間隔的7個頻點(1#～7#)進行方向圖測試，在測試頻點上的天線E面副瓣電平均小于-28 dB，其測試結(jié)果如圖10所示。

圖10 陣列天線實測E面方向

4 結(jié)束語

本文設(shè)計的32單元的一體化陣列天線采用帶狀線結(jié)構(gòu)。經(jīng)過實測,在C波段相對帶寬18% 頻帶范圍內(nèi)輸入駐波小于1.5， 副瓣電平小于-28 dB，監(jiān)測信號電平為30±1.5 dB,滿足了實際使用的要求。這款行饋天線的整體剖面高度小于75 mm，極大地節(jié)省了整體陣面的空間，同時降低了制造成本。采用帶狀線結(jié)構(gòu)形式的行饋天線的實測增益與微帶形式相比提高了將近1 dB，在損耗方面有了極大改善。同時在工程上采用印刷電路一體化設(shè)計，加工精度高，保證了其電氣性能有很好的一致性，便于大批量生產(chǎn)，工程應(yīng)用相當(dāng)廣泛。

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An Integrative Design of Low-profile Stripline Array Antenna

SHAO Xiao-long,YANG Xue-jun,LI Li-xian,LIN Xin,CHEN Dong-yu

(1.ShanghaiAerospaceElectronicsandCommunicationEquipmentResearchInstitute,Shanghai201109,China; 2.MilitaryRepresentativeOfficein804ResearchInstituteofShanghaiAerospaceAdministration,Shanghai201109,China;)

10.3969/j.issn.1003-3106.2017.08.10

邵曉龍，楊薛軍，李麗嫻，等.一種低剖面帶狀線結(jié)構(gòu)的一體化陣列天線設(shè)計[J].無線電工程,2017,47(8):40-43.[SHAO Xiaolong,YANG Xuejun,LI Lixian,et al.An Integrative Design of Low-profile Stripline Array Antenna[J].Radio Engingeeing,2017,47(8):40-43.]

2016-12-19

上海航天技術(shù)研究院核攀基金資助項目(ZY2014-023)。

TN015

A

1003-3106(2017)08-0040-04

邵曉龍 男，(1988—)，碩士，工程師。主要研究方向：天饋線的設(shè)計。

楊薛軍 男，(1967—)，高級工程師。主要研究方向：武器系統(tǒng)質(zhì)量監(jiān)督。