一種基于層壓技術(shù)的Ku波段集成式陣列天線

王元源 李 寧 鄭幕昭

(西安電子工程研究所 西安 710100)

0 引言

隨著傳感器與通訊系統(tǒng)在星載、無(wú)人機(jī)載、彈載等載荷資源極其有限的平臺(tái)上大規(guī)模的應(yīng)用，其相對(duì)應(yīng)的天線在保證電氣性能的同時(shí)，也正朝著陣列化、輕量化、寬帶化、低剖面、集成化等方向發(fā)展，這些特點(diǎn)將大幅拓展電子系統(tǒng)的應(yīng)用范圍，并明顯增強(qiáng)其載體適應(yīng)性。

本文采用高頻層壓技術(shù)將低剖面的縫隙耦合天線單元[1]與多層折疊式的平面化功分網(wǎng)絡(luò)集成為一體，實(shí)現(xiàn)了工作在Ku頻段的集成式陣列天線。該陣列天線具備良好的匹配特性與低副瓣輻射特性；同時(shí)，輻射陣面連同加權(quán)功分網(wǎng)絡(luò)的剖面高度控制在3 mm以內(nèi)；并且其相對(duì)于傳統(tǒng)的波導(dǎo)縫隙陣列，重量減輕超過(guò)60%，成本顯著降低。

1 陣列組成

如圖1所示，一維天線陣列由10個(gè)寬帶輻射單元，2套1分5加權(quán)功分網(wǎng)絡(luò)及2個(gè)SMP表貼連接器構(gòu)成。

圖1 線陣組成示意圖

如圖2所示，整個(gè)陣列沿垂直陣面方向由5層相對(duì)介電常數(shù)為3.0的介質(zhì)基板構(gòu)成，板材間通過(guò)半固化片膠膜在高溫高壓環(huán)境下壓接形成整體。

圖2 陣列分層結(jié)構(gòu)示意圖

各層介質(zhì)板材及膠膜厚度如表1所示。

表1 板材及膠膜厚度(mm)

hs1hs2hp1.5240.2540.076

天線陣列內(nèi)部的金屬圖案位于介質(zhì)板材兩側(cè)的覆銅層中(L1-L6)。

2 天線單元設(shè)計(jì)

天線單元采用縫隙耦合饋電的多層帶線結(jié)構(gòu)形式[1-5]。帶狀饋線位于L3層，通過(guò)位于L2層的地板上的縫隙將能量耦合至頂層L1的微帶貼片輻射器。帶狀饋線的末端與不等功分網(wǎng)絡(luò)相接。

縫隙的設(shè)計(jì)采用了特殊的多諧振“啞鈴”形結(jié)構(gòu)。與傳統(tǒng)的“一”字或“H”形縫隙[2-4]相比，其增加了傾斜縫隙結(jié)構(gòu)，可更為精細(xì)地調(diào)節(jié)能量耦合強(qiáng)度與阻抗變化范圍，設(shè)計(jì)自由度更高。

圖3 天線單元結(jié)構(gòu)參數(shù)圖

以中心頻率為基礎(chǔ)，考慮層壓工藝的加工誤差，通過(guò)迭代優(yōu)化后獲得天線耦合縫隙及輻射貼片的設(shè)計(jì)參數(shù)如表2、表3所示。

表2 “啞鈴”形耦合縫隙尺寸(mm)

WsLsws1ws2ls1ls2ls32.323.160.150.680.490.420.5

表3 天線貼片及饋線尺寸(mm)

WLwfd1d26.624.190.441.580.48

3 多層功分網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

如圖4所示，多層功分網(wǎng)絡(luò)由兩層帶狀線網(wǎng)絡(luò)、垂直互聯(lián)結(jié)構(gòu)及隔離結(jié)構(gòu)組成，通過(guò)高頻介質(zhì)板層壓技術(shù)與天線輻射陣面融合成為一個(gè)整體。其中，第一層網(wǎng)絡(luò)靠近輻射貼片，起到完成輻射能量耦合與第一級(jí)加權(quán)功分的作用；第二層網(wǎng)絡(luò)通過(guò)金屬化過(guò)孔構(gòu)成的準(zhǔn)同軸結(jié)構(gòu)與第一層網(wǎng)絡(luò)垂直互聯(lián)，起到第二、三級(jí)加權(quán)功分與最終輸出的作用。各輻射單元對(duì)應(yīng)的饋線間采用雙層金屬化過(guò)孔陣列進(jìn)行隔離，能夠顯著提高相鄰單元間的隔離度，保證陣列在整個(gè)頻帶內(nèi)具備良好的輻射性能。

圖4 多層功分網(wǎng)絡(luò)示意圖(1/2線陣)

圖5、圖6給出了一維1分5功分網(wǎng)絡(luò)的電壓駐波比與傳輸系數(shù)的仿真結(jié)果。從圖5、圖6中可知，功分網(wǎng)絡(luò)在整個(gè)工作頻帶內(nèi)電壓駐波比小于1.4，并且具有穩(wěn)定的功率分配系數(shù)，滿足-30 dB的Taylor加權(quán)系數(shù)要求；且各端口在工作頻帶內(nèi)保持同相，最大相位偏差7°。

圖5 多層功分網(wǎng)絡(luò)電壓駐波比

圖6 多層功分網(wǎng)絡(luò)功率傳輸系數(shù)

4 一維線陣仿真設(shè)計(jì)

如圖7所示，將天線輻射單元、金屬隔離腔體、多層一維功分網(wǎng)絡(luò)作為整體進(jìn)行仿真驗(yàn)證，重點(diǎn)考查其輸入端口駐波及遠(yuǎn)場(chǎng)輻射方向圖特性。

圖7 一維天線陣列模型

集成后天線陣列的駐波曲線如圖8所示，從圖中可以看出，線陣在全頻帶內(nèi)具有良好的駐波特性。

圖8 一維線陣電壓駐波比

圖9給出了線陣在高中低頻點(diǎn)的仿真輻射方向圖，其中心頻點(diǎn)的方位維輻射方向圖最大旁瓣電平約為-29 dB，波束寬度9.67°。全頻帶內(nèi)的一維輻射方向圖副瓣電平均低于-25 dB，滿足設(shè)計(jì)要求。

圖9 線陣輻射方向圖

5 測(cè)試結(jié)果分析

根據(jù)仿真模型參數(shù)，結(jié)合高頻層壓技術(shù)進(jìn)行了集成式線陣的加工，最終獲得的線陣實(shí)物如圖10所示。

圖10 集成式線陣實(shí)物圖

在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)完成了實(shí)物線陣的端口駐波測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖11所示。同時(shí)，通過(guò)近場(chǎng)掃描結(jié)合近遠(yuǎn)場(chǎng)變換的方式獲得了實(shí)物線陣高、中、低頻點(diǎn)的輻射方向圖特性(如圖12所示)。

圖11 集成式線陣電壓駐波比測(cè)試結(jié)果

由測(cè)試結(jié)果可知，在整個(gè)工作頻帶內(nèi)，陣列輸入端口的電壓駐波比小于2.2，能夠滿足使用要求。與仿真結(jié)果略有差別的是，高頻段的駐波有比較明顯的抬升，考慮到測(cè)試接口的誤差后，仍有進(jìn)一步優(yōu)化提升的空間。

同時(shí)，測(cè)試結(jié)果表明，頻帶內(nèi)輻射方向圖的副瓣電平均低于-28 dB,達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)指標(biāo)；天線主瓣波束寬度與仿真結(jié)果相比略有展寬，達(dá)到約10.4°(16 GHz)，處于可接受的誤差范圍內(nèi)，這主要是由于功分網(wǎng)絡(luò)的損耗及傳輸線寬度/長(zhǎng)度的加工誤差導(dǎo)致的。

圖12 集成式線陣測(cè)試方向圖

6 結(jié)束語(yǔ)

本文基于高頻層壓技術(shù)設(shè)計(jì)了工作在Ku頻段的集成式低剖面天線陣列。創(chuàng)造性地采用了5層高頻介質(zhì)板構(gòu)成多層結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了天線輻射陣列與泰勒加權(quán)功分網(wǎng)絡(luò)的一體化集成。仿真與測(cè)試結(jié)果表明，天線陣列能夠覆蓋15 GHz～17 GHz的頻段范圍，且具有良好的輻射效率與低副瓣特性。陣列整體尺寸僅為125 mm×9.5 mm×2.9 mm，具備低剖面特性與擴(kuò)展應(yīng)用潛力。

該天線陣列的集成式設(shè)計(jì)思路不但省去了天線單元與網(wǎng)絡(luò)間存在的電氣接口，降低了傳輸損耗，更使無(wú)源陣列的剖面、重量、體積均大幅縮減；多層壓接的陶瓷玻璃布介質(zhì)結(jié)構(gòu), 增加了機(jī)械強(qiáng)度, 降低了外界環(huán)境對(duì)天線的影響,使其可靠性明顯提高；高頻層壓工藝的制造成本約為低溫共燒陶瓷(LTCC)等高頻3D封裝工藝的1/5，在Ku及較低頻段具備競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，能夠支撐未來(lái)大批量的應(yīng)用需求。