一種X波段余割平方賦形平面微帶陣列天線*

王崇惜，鄧淑英

（中國電子科技集團公司第三十九研究所 陜西省天線與控制技術(shù)重點實驗室，陜西 西安 710065）

0 引 言

在現(xiàn)代雷達(dá)應(yīng)用中，如警戒雷達(dá)、搜索雷達(dá)、微波著陸系統(tǒng)中大多采用相控陣天線，要求其方位面為道爾夫-切比雪夫或泰勒方向圖并可在一定范圍掃描，而俯仰面形成如圖1所示特殊波束－－余割平方波束。余割平方波束天線，具有低仰角增益大，高仰角增益小的特點。對高度相同、傾斜距離不同的目標(biāo)進(jìn)行探測，可以接收等強度的回波信號，實現(xiàn)對遠(yuǎn)距離目標(biāo)的盡早發(fā)現(xiàn)；因此余割平方波束在警戒雷達(dá)、搜索雷達(dá)等系統(tǒng)中具有重要的應(yīng)用價值。

基于某項目需求，本文設(shè)計了一種X波段16（余割平方）×4（均勻）單元余割平方波束平面微帶陣列天線。輻射單元采用一種非輻射邊饋電的寬帶雙層微帶貼片天線[1]，饋電網(wǎng)絡(luò)采用SSL（懸置微帶線，suspended microstripline，SSL）傳輸線并綜合“聯(lián)合應(yīng)用DPF公式算法”[2,3,4]（顆粒質(zhì)量計算方法，Method for calculating particle fashion，DPF），實現(xiàn)微帶天線陣在10.2～10.8 GHz俯仰方向余割平方波束，其-3 dB波束寬度為6.5°±10%，-10 dB波束寬度為26.5°±10%。

1 輻射單元

1.1 單元組成及工作基理

如圖1所示為理想的余割平方波束。如圖2所示為天線單元仿真構(gòu)架示圖，為滿足帶寬要求采用雙層微帶貼片天線形式，其主要由饋電單元層、泡沫層、寄生單元層及反射板四部分組成[5]。其中饋電單元層上光刻激勵貼片與饋電微帶線，寄生單元層上光刻寄生貼片。

參見圖2，與常規(guī)雙層微帶貼片天線所不同的是，底層激勵貼片通過微帶線在其非輻射邊饋電，此種饋電方式可簡化饋電網(wǎng)絡(luò)設(shè)計，但隨之而來的問題是天線除激勵起主模TM01模之外還將激勵起高次模TM10模，導(dǎo)致天線交叉極化性能惡化。為解決上述問題，除適當(dāng)控制貼片長寬比外[6]，還在寄生貼片上沿主極化方向，光刻一定數(shù)量均勻分布的細(xì)長縫隙，通過切斷高次模TM10模的表面電流，以滿足系統(tǒng)對于天線交叉極化電平要求[7]。

圖2 天線單元仿真構(gòu)架

1.2 單元仿真計算

如圖3所示為通過HFSS15進(jìn)行仿真計算并優(yōu)化后端口回波損耗曲線及中頻典型頻點的輻射方向圖計算結(jié)果。在10.2～10.8 GHz頻帶范圍內(nèi)，回波損耗優(yōu)于-12 dB。天線在中頻典型頻點10.5 GHz時增益約為8.6 dBi，交叉極化電平優(yōu)于-35 dB。

圖3 輻射單元計算結(jié)果

2 饋電網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

2.1 賦形基理及相關(guān)計算

設(shè)一個單元數(shù)為N、單元間距為d的直線陣列如圖4所示，其陣因子為：

式中，In和αn分別為各單元的激勵和相位，是需要確定的量。k=2π/λ，λ為工作波長。

圖4 直線陣列坐標(biāo)系

設(shè)直線陣列要實現(xiàn)如圖1所示理想的余割平方波束，那么首先對給定的方向圖函數(shù)|F0(θ)|進(jìn)行取樣。設(shè)在范圍θ=0°～180°內(nèi)的取樣點數(shù)為M，取樣點的值為|F0(θi)|，i=0，1，2，…，M，取樣點設(shè)置為

直線陣列陣因子S(θ)要實現(xiàn)圖1指定的賦形波束F0(θ)，這實際是一種函數(shù)的逼近。在單元數(shù)N和單元間距d已知的情況下，只有改變激勵幅度In和相位分布αn來達(dá)到目的。要使S(θ)逼近F0(θ)，可建立如下的目標(biāo)函數(shù)：

式中，x=(I0,I1,…,IN-1,α0,α1,…,αN-1)。

采用“聯(lián)合應(yīng)用DPF公式算法”使得目標(biāo)函數(shù)達(dá)到最小，即求In*和αn*，n=0,1,2,…,N-1，使得

采用上述優(yōu)化方法需要計算如下梯度向量：

式中，

為滿足前述某項目要求，對如圖1所示目標(biāo)方向圖進(jìn)行等間隔取樣，取樣點數(shù)為M=1800，單元數(shù)為N=16、單元間距為d=17.5 mm。激勵幅度In的初值選為切比雪夫分布，激勵相位αn的初值選為平方律分布。平方律相位分布初值見如下表達(dá)式：

參考式（1）～式（7），經(jīng)過迭代計算得到的單元激勵幅度和相位如圖5所示。

圖5 電流分布理論計算結(jié)果

2.2 饋電網(wǎng)絡(luò)仿真計算

綜合考慮上述計算結(jié)果及系統(tǒng)EIRP要求，饋電網(wǎng)絡(luò)采用如圖6所示低損耗懸置微帶線（SSL）形式。懸置微帶線是通過一薄層介質(zhì)支撐中心導(dǎo)體，因此它的損耗很?。é舉更接近于空氣）。

天線饋電網(wǎng)絡(luò)所用微帶板材為Rogers5880，介質(zhì)厚度0.254 mm，銅層厚度0.035 mm，相對介電常數(shù)εr=2.20，損耗角正切 tanδ=0.000 9。

利用HFSS15完成饋電網(wǎng)絡(luò)設(shè)計優(yōu)化，結(jié)果表明，各輸出端口間帶內(nèi)相對幅相偏差在±0.3 dB/±5°以內(nèi)。

3 天線整體仿真計算結(jié)果與實測結(jié)果

在上述前兩節(jié)中，已對天線輻射單元和饋電網(wǎng)絡(luò)分別進(jìn)行了闡述和相關(guān)計算。在此項目中為了在實現(xiàn)天線俯仰方向余割平方賦形的同時滿足天線增益指標(biāo)要求，天線陣面采用如引言所述16X4單元布局。將陣列天線單元和饋電網(wǎng)絡(luò)集成后進(jìn)行了整體仿真優(yōu)化，如圖7所示為天線整體仿真模型及部分仿真結(jié)果。

圖6 饋電網(wǎng)絡(luò)仿真模型

圖7 天線整體仿真計算

圖8 天線實物照片

圖9 天線實測指標(biāo)

最終加工完成的X波段余割平方賦形雙層平面微帶陣列天線實物照片如圖8所示。天線陣面厚度(含連接器)為16 mm。在實驗室及微波暗室平面近場對該天線的各項性能指標(biāo)進(jìn)行了測試，測試結(jié)果表明該天線在10.2～10.8 GHz的設(shè)計頻帶內(nèi)回波損耗小于-10 dB，帶內(nèi)交叉極化電平優(yōu)于-35 dB，帶內(nèi)增益大于22 dBi。各典型頻點實測遠(yuǎn)場方向圖、饋電端口回波損耗如圖9所示。如表1所示為天線3 dB、10 dB波束寬度仿真設(shè)計值與實測值，滿足項目指標(biāo)要求。

表1 天線波束寬度

4 結(jié) 語

本文介紹了一種X波段16×4單元余割平方賦形平面微帶陣列天線的設(shè)計，輻射單元采用非輻射邊饋電雙層貼片天線；饋電網(wǎng)絡(luò)采用低損耗懸置微帶線（SSL）形式，并結(jié)合低阻傳輸線與多級阻抗變換等多種技術(shù)手段。最終綜合“聯(lián)合應(yīng)用DPF公式算法”實現(xiàn)了天線在10.2～10.8 GHz工作頻帶內(nèi)，總口回波損耗小于-10 dB，帶內(nèi)交叉極化電平優(yōu)于-35 dB，帶內(nèi)增益大于22 dBi，波束覆蓋滿足項目指標(biāo)要求。測試結(jié)果表明，仿真計算值與實測值結(jié)果一致性較好，可供同類型微帶天線借鑒。