一種X波段船舶雷達(dá)微帶天線的設(shè)計(jì)

劉 冬，高 雪，房少軍，李胃勝

(1.海南熱帶海洋學(xué)院，海南 三亞 572022；2.大連海事大學(xué)，遼寧 大連 116026)

0 引言

隨著海洋經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，中小型漁船也越來(lái)越多。為了更好地避讓其他漁船和礁石等障礙物，需要裝置船用雷達(dá)。雷達(dá)天線是雷達(dá)最重要的部件之一[1]，最早的船用雷達(dá)天線大多是拋物面型天線，尺寸大、較笨重，一般適用于軍艦。文獻(xiàn)[2-3]針對(duì)海事衛(wèi)星中的應(yīng)用，研究了拋物面型船用天線。隨著天線的發(fā)展，出現(xiàn)了波導(dǎo)縫隙天線，它較拋物面型天線尺寸小很多，重量也輕，因此，現(xiàn)在船舶雷達(dá)系統(tǒng)中廣泛地應(yīng)用了波導(dǎo)縫隙天線[4-6]，但是，相對(duì)中小漁船而言，這類天線也比較占地方，價(jià)格昂貴。

隨著微帶技術(shù)的發(fā)展，微帶天線技術(shù)也越來(lái)越成熟。微帶天線尺寸小、重量輕且易于加工，雖然輻射能力弱，但是組成天線陣列后可加強(qiáng)，已逐漸被引入各種雷達(dá)系統(tǒng)中。文獻(xiàn)[7-11]分別對(duì)基于機(jī)載雷達(dá)天線和車載雷達(dá)天線進(jìn)行研究。但是，關(guān)于船載雷達(dá)微帶天線的研究較少。文獻(xiàn)[12]中Fang-Yao Kuo設(shè)計(jì)的一款船用雷達(dá)微帶天線，由32個(gè)輻射單元構(gòu)成陣列天線，加金屬擋板增加隔離度；文獻(xiàn)[13]中夏明世設(shè)計(jì)一款20單元的圓極化船用雷達(dá)天線陣，采用串饋方式組成陣列，在天線兩側(cè)加上扇形金屬喇叭；文獻(xiàn)[14]中郭強(qiáng)采用微擾法的矩形貼片作為輻射單元，并對(duì)微擾槽位置等參數(shù)利用矩量法進(jìn)行了優(yōu)化，從而提高天線的圓極化帶寬。在上述文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，本文設(shè)計(jì)了一款將20輻射單元交替排在饋電網(wǎng)絡(luò)兩側(cè)的組陣方法，引入了蜿蜒結(jié)構(gòu)的阻抗變換器，無(wú)需增加擋板和喇叭，也能獲得高增益、窄波束和低旁瓣的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的微帶天線。

1 微帶貼片單元設(shè)計(jì)

1.1 微帶貼片單元尺寸的設(shè)計(jì)

矩形微帶貼片的長(zhǎng)與寬按照式(1)～式(2)初步確定[15]。

(1)

(2)

式中，fr為微帶天線工作中心頻率；εe為等效介電常數(shù)。

1.2 饋電方式設(shè)計(jì)

為了降低天線的復(fù)雜度，采用單饋方法實(shí)現(xiàn)圓極化。本文采用角饋方式對(duì)微帶貼片進(jìn)行饋電。已知微帶貼片的邊緣阻抗并不等于50 Ω，根據(jù)1/4波長(zhǎng)阻抗變換器來(lái)進(jìn)行匹配。阻抗匹配公式為：

(3)

后期微帶天線陣列通過(guò)輻射天線單元排列在饋電網(wǎng)絡(luò)兩側(cè)獲得，為了增加天線陣列的輻射性能，這里1/4波長(zhǎng)變換器采用蜿蜒結(jié)構(gòu)；為了減小快點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)的不連續(xù)性，在蜿蜒部分針對(duì)直角邊進(jìn)行切角處理。選用的介質(zhì)板材料為國(guó)產(chǎn)F4B板材，其介電常數(shù)εr=2.2，板材厚度h=1 mm，損耗角正切tanδ=0.000 9。

1.3 微帶貼片單元仿真

通過(guò)仿真優(yōu)化后的輻射單元貼片如圖1所示，長(zhǎng)邊為9.94 mm，短邊為9.46 mm，直角邊切角w2=0.2 mm，ys=1.9 mm，lf=4 mm。

圖1 微帶貼片單元示意圖

仿真結(jié)果如圖2和圖3所示。輻射單元天線的中心頻率約為9.4 GHz，在9.20～9.60 GHz頻帶內(nèi)，S11≤-12.5 dB，其帶寬較好。從圖中可以看出，天線的最大增益約為7.7 dB，針對(duì)本文所采用的材料來(lái)看，這種天線單元的增益相對(duì)來(lái)說(shuō)較大，而且水平波瓣寬度也不是很寬。從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)看，本輻射單元貼片性能良好、方向性強(qiáng)，可以用來(lái)組建陣列天線。

圖2 微帶貼片單元S11圖

圖3 微帶貼片單元3D增益仿真截圖

2 天線陣列設(shè)計(jì)

2.1 饋電網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)

為了獲得最佳方向性圖，饋電網(wǎng)絡(luò)也是根據(jù)阻抗匹配原理，由若干1/4波長(zhǎng)阻抗變換器組成，通過(guò)接階梯狀調(diào)節(jié)阻抗變換器來(lái)進(jìn)行對(duì)各輻射單元貼片的饋電幅度的控制；X波段圓極化船舶雷達(dá)微帶陣列天線饋電幅度采用切比雪夫分布，電流分布如表1所示。

表1 輻射貼片單元的電流幅度比

I11I60.62I20.97I70.51I30.91I80.39I40.83I90.29I50.73I100.33

2.2 陣列天線仿真

陣列天線組成如圖4所示，為了增大天線陣列的輻射能力，輻射單元貼片交錯(cuò)置于饋電網(wǎng)絡(luò)的兩側(cè)，位于饋電網(wǎng)絡(luò)同側(cè)的微帶貼片單元間距為1倍波長(zhǎng)，位于饋電網(wǎng)絡(luò)異側(cè)的微帶貼片單元間距為0.5倍波長(zhǎng)，保證了同側(cè)輻射單元貼片同向，而異側(cè)的輻射單元貼片經(jīng)0.5倍波導(dǎo)波長(zhǎng)后經(jīng)180°反向，因此異側(cè)的輻射單元貼片也能同向輻射。每一側(cè)均有4個(gè)微帶貼片單元，共由20個(gè)微帶貼片單元組成。

圖4 陣列天線示意

通過(guò)仿真結(jié)果可以看出，該陣列天線匹配良好，方向性強(qiáng)。部分仿真結(jié)果如圖5所示。在9.30～9.60 GHz頻率范圍內(nèi)S11<-10 dB，阻抗帶寬達(dá)到了360 MHz，中心頻率9.4 GHz處S11=-30 dB，說(shuō)明本天線陣列匹配良好。

微帶陣列天線軸比隨頻率變化曲線如圖6所示。當(dāng)軸比小于3 dB時(shí)頻率在9.35～9.44 GHz，軸比帶寬達(dá)到了110 MHz，中心頻率處軸比為0.30 dB，表明本天線陣列的圓極化性能良好。

圖5 陣列天線的仿真S11

圖6 陣列天線的仿真軸比

2.3 實(shí)物與測(cè)試

這種蜿蜒結(jié)構(gòu)天線的尺寸很小，長(zhǎng)度為26 cm，其實(shí)物圖如圖7所示，很適合于轉(zhuǎn)動(dòng)的雷達(dá)天線。

圖7 天線實(shí)物圖

利用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)試天線的回波損耗如圖8所示，匹配性能良好，回波損耗小于-10 dB的頻率范圍為9.15～9.50 GHz，帶寬約為350 MHz。和仿真回波損耗相比，性能基本吻合，就是中心頻率點(diǎn)發(fā)生了偏移，中心頻率移到了9.3 GHz，這是由于所使用的介質(zhì)板材的介電常數(shù)實(shí)際上小于材料標(biāo)稱的2.2。

由于微帶貼片較小，尤其是蜿蜒部分尺寸更小，制作時(shí)出現(xiàn)了誤差導(dǎo)致的，但是整體性能仍符合X波段船用雷達(dá)天線指標(biāo)。

圖8 S11測(cè)試曲線

在微波暗室里對(duì)水平方向圖、垂直方向圖和軸比隨角度變化做了測(cè)試，如圖9和圖10所示。無(wú)論水平方向圖還是垂直方向圖的主瓣中心都在0°，天線的主瓣張角都較小，旁瓣電平均低于40 dB，表明該天線陣列的定向性能良好、輻射能力強(qiáng)。

圖9 水平面方向性測(cè)試曲線

圖10 垂直面方向性測(cè)試曲線

頻率為9.3 GHz，與x軸正方向的夾角φ=90°時(shí)，天線陣列的軸比隨角度θ的變化曲線如圖11所示。在軸比小于2 dB的范圍內(nèi)，角度θ的變化范圍約為-13°～8°，大約為21°，3 dB軸比角大于水平波瓣寬度，說(shuō)明天線軸比在水平面內(nèi)滿足要求。

圖11 軸比測(cè)試曲線

3 結(jié)束語(yǔ)

論述了一款20單元的圓極化微帶天線陣列的設(shè)計(jì)方法，將20個(gè)輻射單元交替置于饋電網(wǎng)絡(luò)的上下，與貼片邊緣相連阻抗變換器采用蜿蜒型結(jié)構(gòu)。從實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果來(lái)看，本款天線具有良好的定向性能，圓極化性能良好；從實(shí)物來(lái)看，此款天線尺寸小而輕。因而表明此種設(shè)計(jì)方法可行，對(duì)高增益的船舶雷達(dá)微帶天線的研究與應(yīng)用提供了一定參考價(jià)值。本文采取了1/4波長(zhǎng)變換器，所組成的陣列天線是單層的，今后將嘗試從1/8波長(zhǎng)和多層化著手，從而使天線尺寸更小、方向性等性能更優(yōu)。