雙頻寬帶毫米波天線的設(shè)計及實(shí)際應(yīng)用

戴用

摘 要：毫米波相控陣天線正處于研究起步階段，因其優(yōu)勢明顯，在軍事民用中有著巨大的開發(fā)前景。論文對毫米波相控陣天線采用的幾項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)的進(jìn)行闡述和分析，包括多波束形成技術(shù)、毫米波T/R組件、提高帶寬以及空間功率合成技術(shù)等對關(guān)鍵技術(shù)。文章對上述關(guān)鍵技術(shù)的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了介紹，指出了毫米波相控陣天線關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展趨勢。

關(guān)鍵詞：毫米波相控陣天線；多波束形成；毫米波T/R組件；空間功率合成

引言

毫米波天線起步于上個世紀(jì)冷戰(zhàn)時期，兩個軍事強(qiáng)國針對當(dāng)時新研制的毫米波制導(dǎo)導(dǎo)彈，相繼推出了毫米波導(dǎo)彈偵查和探測系統(tǒng)，例如毫米波天線雷達(dá)。目前，毫米波制導(dǎo)技術(shù)經(jīng)過幾十年的發(fā)展已經(jīng)比較成熟，但是毫米波天線技術(shù)卻由于工作頻段比較高，核心器件都是毫米波級別器件，使其在生產(chǎn)、集成、工藝以及成本存在很大的難題，同時，毫米波天線要求天線波束比較窄，掃描寬度比較寬，旁瓣低，功率也比較大，造成毫米波天線的技術(shù)和性能很難達(dá)到理想的狀態(tài)。近些年，隨著毫米波集成電路和超高速集成電路以及電子技術(shù)的快速發(fā)展，毫米波天線技術(shù)指標(biāo)得到了很大的提高。毫米波相控陣天線就是其中的佼佼者，相控陣天線通過組合陣列的數(shù)目和排列不同來提高性能。毫米波相控陣天線的探測距離較遠(yuǎn)，且能夠?qū)臻g多個目標(biāo)同時跟蹤和識別和快速搜索能力，具有高分辨率和精確軌跡，工作帶寬以及掃描角度都比較寬等優(yōu)。本文結(jié)合毫米波相控陣天線的技術(shù)從和實(shí)現(xiàn)難度，對毫米波相控陣天線的關(guān)鍵技術(shù)及其發(fā)展進(jìn)行介紹和討論。

一、關(guān)鍵技術(shù)分析

（一）多波束形成能力

為了使相控陣天線的戰(zhàn)術(shù)性能進(jìn)一步的提升，這就要求相控陣天線必須具有多波束形成能力。利用相控陣的多波束可以使天線空中探測的區(qū)域大幅度提高，同時提升了相控陣天線對空中多個目標(biāo)進(jìn)行同時監(jiān)測的能力。多波束相控陣天線多波束形成技術(shù)不僅在相控陣?yán)走_(dá)中有重要作用，現(xiàn)在也被大量應(yīng)用于通信、電子戰(zhàn)以及無線電導(dǎo)航等領(lǐng)域中，其重要性不言而喻。

（二）毫米波T/R組件

T/R組件是毫米波相控陣天線的關(guān)鍵部件，主要包括發(fā)射信號功率放大器、低噪聲放大器（LNA）、移相器以及驅(qū)動電路和保護(hù)電路等功能電路。一般的相控陣天線都有成百上千個T/R組件，對于大功率的毫米波相控陣天線雷達(dá)，T/R組件都是高度集成化毫米級器件，數(shù)量有可能達(dá)到上萬個。

決定T/R組件性能主要有兩個指標(biāo)是：（1）功率轉(zhuǎn)換效率（power added efficiency）；（2）T/R組件的成本。功率轉(zhuǎn)換效率是設(shè)備輸出功率同整個組件的功率的比值〔3〕。圖1顯示的是兩種采取不同工藝技術(shù)的T/R組件的在不同工作頻率下的PAF值，從圖中可以看出，PHFMT和MFSFFT器件隨著工作功率的增大，T/R組件的PAF的值是逐漸降低的，尤其當(dāng)工作頻率達(dá)到ka波段的時候，轉(zhuǎn)換功率大幅度降低。當(dāng)天線雷達(dá)組件達(dá)到毫米波級別時，所有組件的價格也將大幅度提高。所以在T/R組件設(shè)計的時候要對上述兩個指標(biāo)綜合考慮進(jìn)行權(quán)衡。

二、毫米波全向共形微帶天線設(shè)計

（一）微帶貼片單元天線的設(shè)計

微帶天線由三部分構(gòu)成，包括微帶貼片、介質(zhì)基板以及金屬接地板，一面敷以金屬輻射片，一面敷以金屬薄層作為接地板，中間是介質(zhì)基片[3]。輻射片可以被設(shè)計成各種形狀。本設(shè)計采用的是矩形微帶天線。

微帶天線的輻射由微帶天線導(dǎo)體邊沿和地板之間的邊緣場產(chǎn)生[#]。

（二）饋電方式

微帶天線有多種饋電方式，大體分為側(cè)饋、背饋和藕合饋電。背饋通常用于當(dāng)矩形微帶天線作為獨(dú)立的天線應(yīng)用時；當(dāng)要求微帶天線的結(jié)構(gòu)為雙層（或多層）結(jié)構(gòu)時常用藕合饋電[f51。而側(cè)饋通常用于當(dāng)貼片作為微帶天線陣的陣元時。這種饋電方式制作工藝簡單，微帶饋線單元可以方便的和天線貼片單元一起光刻，因此本設(shè)計選擇側(cè)饋形式。

（三）微帶共形陣?yán)碚?/p>

微帶天線剖面低，可以制成共形陣列天線。全向微帶共形陣有兩種設(shè)計方式：線極化的連續(xù)輻射器和并饋的線極化（圓極化）貼片陣。連續(xù)環(huán)繞式微帶天線利用條狀微帶環(huán)繞在共形體圓周上，沿圓周若干點(diǎn)處等間距的用并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)饋電。另一種是沿圓柱的圓周排列若干個矩形貼片輻射元，并對每個輻射元進(jìn)行等幅同相饋電。

三、毫米波天線測量系統(tǒng)的建設(shè)

（一）溫度對毫米波測量系統(tǒng)的影響

近場測量根據(jù)奈奎斯特原理需要在半個波長以內(nèi)進(jìn)行采樣，對于毫米波天線來說，其測量采樣需要在半個毫米內(nèi)完成，因此采樣點(diǎn)會變得非常密集，同時如果天線的尺寸也比較大，則采樣時間將會非常長，例如一個直徑lm的87GHz的天線，進(jìn)行一次平而近場采集約需要20小時的時間?？紤]到被測天線和掃描架系統(tǒng)均是由金屬材料組成，隨著溫度的變化，其發(fā)生的細(xì)微形變都有可能影響到測量精度。

（二）測量結(jié)果的誤差分析和補(bǔ)償

如果是建設(shè)遠(yuǎn)場毫米波測量系統(tǒng)，其誤差主要來自于系統(tǒng)動態(tài)范圍不足以及測試距離不夠遠(yuǎn)，選擇適當(dāng)?shù)男阅艿臄U(kuò)頻設(shè)備并在保持滿足動態(tài)范圍的情況下保持適當(dāng)?shù)臏y試距離其測量結(jié)果通常是可信的。

而如果是建設(shè)的平而近場測量系統(tǒng)，則影響測量精度的因素會很多，但無論是來自于機(jī)械的還是射頻的還是其它方而的，都可以通過誤差定向測量的方法來量化分析，現(xiàn)在的依據(jù)主要是關(guān)國國家標(biāo)準(zhǔn)局制定的18項(xiàng)誤差標(biāo)準(zhǔn)。但由于對18項(xiàng)誤差的標(biāo)定測量非常耗時，一套18項(xiàng)誤差對于毫米波測量系統(tǒng)的標(biāo)定來說通常需要耗費(fèi)一個月的時間，而這18項(xiàng)誤差中的截斷誤差、收發(fā)天線的互禍和多次反射誤差、微波暗室的散射反射誤差和射頻系統(tǒng)的泄漏誤差等四項(xiàng)誤差源對總的誤差貢獻(xiàn)了95%以上的誤差，因此為了節(jié)省時間同時又能夠評估系統(tǒng)的測量結(jié)果的可信度和誤差范圍，會采用進(jìn)行四項(xiàng)誤差標(biāo)定的方法標(biāo)定誤差值作為整個系統(tǒng)誤差的范圍。

結(jié)語：

我們通過對毫米波天線測量的理論分析和工程驗(yàn)證，證實(shí)了近場毫米波測量系統(tǒng)的可實(shí)施性，為未來毫米波天線測量的研發(fā)調(diào)試提供了有力的基礎(chǔ)，相關(guān)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的分析準(zhǔn)確性和可行性，也為后期發(fā)展短毫米波乃至太赫茲天線測量系統(tǒng)提供了理論依據(jù)，具有深遠(yuǎn)的意義。

參考文獻(xiàn)

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[3] 周霞，劉國華，葉曉東，尹小林.一種低剖面矩形的毫米波天線設(shè)計天線[J].電腦與信息技術(shù)，2018，26（06）：36-38.