一種具有自校準(zhǔn)功能的寬帶寬角貼片天線設(shè)計(jì)

袁建濤，湯曉云，張聞濤，稂華清,3

(1.中國(guó)空空導(dǎo)彈研究院，洛陽(yáng) 471009；2.空裝駐洛陽(yáng)地區(qū)第一軍代表室，洛陽(yáng) 471009；3.航空制導(dǎo)武器航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 洛陽(yáng) 471009)

0 引 言

相控陣天線具有無(wú)慣性掃描、波束捷變、大功率等優(yōu)點(diǎn)，憑借其優(yōu)越性能及相控陣技術(shù)的高速發(fā)展，相控陣天線在現(xiàn)代軍事武器和無(wú)線通信技術(shù)中得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。目標(biāo)高機(jī)動(dòng)、各種有源與無(wú)源電磁干擾、衛(wèi)星高速率數(shù)據(jù)傳輸及合成孔徑雷達(dá)(SAR)成像等對(duì)相控陣天線的工作帶寬及空間掃描范圍提出了高要求。為了有效地滿足各種功能需求，要求天線具有較寬的方向圖帶寬，同時(shí)在較寬帶寬內(nèi)具備二維寬角掃描能力[1-5]。

與此同時(shí)，有源相控陣天線TR通道基態(tài)性能存在較大的幅相不一致性，為使天線具有良好的低副瓣性能，需對(duì)TR通道間幅度相位不一致性進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量并做調(diào)平處理。工程中一般采用近場(chǎng)或遠(yuǎn)場(chǎng)方法對(duì)相控陣天線TR通道進(jìn)行幅相性能校準(zhǔn)并做不一致性補(bǔ)償，使天線輻射性能滿足可使用要求。當(dāng)產(chǎn)品交付以后，其服役場(chǎng)所往往不再具備近場(chǎng)或遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)試條件，因此需要設(shè)計(jì)有源鏈路性能監(jiān)測(cè)手段，實(shí)現(xiàn)對(duì)TR通道不定時(shí)檢測(cè)。自校準(zhǔn)方法基于天線內(nèi)部耦合網(wǎng)絡(luò)，受外界環(huán)境干擾小，能夠很好地滿足有源相控陣天線TR通道的性能監(jiān)測(cè)要求。本文將多層貼片天線與內(nèi)耦合網(wǎng)絡(luò)[6]一體化設(shè)計(jì)，校準(zhǔn)線通過(guò)縫隙耦合信號(hào)至天線饋電通道或接收天線饋電通道的信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)T/R通道性能的在線監(jiān)測(cè)。一體化設(shè)計(jì)[7-8]使天線結(jié)構(gòu)更加緊湊，集成度高，便于加工和裝配，在大大降低成本的同時(shí)，較好保證了天線性能的一致性。此外，與振子天線[9-10]、Vivaldi天線[11-13]等常用相控陣天線單元相比，文中天線在滿足寬帶寬角掃描條件下，兼有低剖面的優(yōu)點(diǎn)，在瓦式相控陣[14]、智能蒙皮技術(shù)[15]、彈載大規(guī)模共形天線陣等領(lǐng)域具有潛在應(yīng)用價(jià)值。

1 天線一體化設(shè)計(jì)

一體化天線單元為一種帶矩形空腔的多層貼片天線，極化方式為線極化，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。天線從上而下依次為寄生貼片、0.508 mm厚介質(zhì)板、輻射貼片、0.762 mm厚介質(zhì)板、地板、0.254 mm厚介質(zhì)板、饋電微帶、0.254 mm厚介質(zhì)板、地板、0.254 mm厚介質(zhì)板、校準(zhǔn)微帶線、校準(zhǔn)微帶空氣腔，層與層之間用半固化片粘接。介質(zhì)材料均為Rogers RT/duroid 5880，相對(duì)介電常數(shù)為2.2，介質(zhì)損耗角正切為0.000 9，天線尺寸8 mm×8 mm，輻射貼片尺寸為5 mm×5 mm，寄生貼片尺寸為4.5 mm×4.5 mm，矩形空腔尺寸為4.5 mm×4.5 mm。該天線工作在Ku頻段，采用同軸轉(zhuǎn)帶狀線饋電，在帶狀線上方地板開H形槽縫，利用縫隙耦合理論激勵(lì)貼片輻射，同時(shí)結(jié)合寄生貼片，使天線獲得寬帶性能，在耦合縫隙上方介質(zhì)板中心加工一定尺寸的空氣腔可以進(jìn)一步拓寬天線有源駐波帶寬。帶狀線縫隙耦合饋電將輻射貼片和饋電微帶分層設(shè)計(jì)，并在帶狀線四周打金屬化過(guò)孔，在去高次模的同時(shí)，可避免帶狀線電場(chǎng)對(duì)貼片輻射性能的影響，使天線獲得較好的寬角掃描和低交叉極化特性。

圖1 一體化貼片天線

文中主要對(duì)4 GHz帶寬內(nèi)天線性能進(jìn)行分析，其中下邊頻fL對(duì)應(yīng)頻點(diǎn)f0-2 GHz，f0為中心頻點(diǎn)，上邊頻fH對(duì)應(yīng)頻點(diǎn)f0+2 GHz。分別對(duì)孤立天線單元下邊頻fL、中心頻點(diǎn)f0和上邊頻fH的E面和H面方向圖主極化和交叉極化進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果如圖2所示，由仿真結(jié)果可知，該貼片單元方向圖帶寬滿足4 GHz要求，且在帶寬內(nèi)E面和H面交叉極化電平均優(yōu)于-40 dB。

圖2 邊、中頻孤立天線單元方向圖性能

利用小孔耦合原理，設(shè)計(jì)自校準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)，校準(zhǔn)微帶線通過(guò)縫隙耦合信號(hào)至天線饋電通道或接收天線饋電通道的信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)T/R通道收發(fā)性能的在線監(jiān)測(cè)。耦合孔寬度尺寸影響耦合量大小，耦合孔下方校準(zhǔn)微帶方形片起校準(zhǔn)口駐波調(diào)節(jié)作用。頻帶內(nèi)耦合量及校準(zhǔn)口駐波仿真結(jié)果如圖3所示。由圖3可知，耦合量在全頻帶內(nèi)的波動(dòng)范圍小于2 dB，校準(zhǔn)口駐波小于1.2。

圖3 校準(zhǔn)耦合性能

2 天線有源駐波特性

陣中天線單元由于受到其他單元互耦影響，在波束掃描過(guò)程中其有源駐波會(huì)有較大變化，而天線單元在掃描空域范圍內(nèi)的有源駐波大小用來(lái)衡量波束掃描過(guò)程中是否存在盲點(diǎn)。利用HFSS周期性邊界理論，對(duì)文中貼片天線主剖面有源駐波進(jìn)行仿真，圖4給出4 GHz帶寬內(nèi)天線沿E面和H面掃描60°范圍內(nèi)的有源駐波變化曲線。

圖4 天線有源駐波

由仿真結(jié)果可知，在4 GHz帶寬內(nèi)，文中天線沿E面和H面掃描±60°范圍內(nèi)有源駐波均小于3.2，波束掃描過(guò)程中無(wú)盲點(diǎn)出現(xiàn)。

3 天線單元陣中特性

根據(jù)方向圖乘積原理，對(duì)相控陣天線來(lái)講，陣中天線方向圖3 dB波束寬度對(duì)波束掃描過(guò)程中增益下降和副瓣抬高程度有重要影響。文中以天線尺寸大小為單元間距，按照矩形柵格排布建立9×9面陣，陣面布局如圖5所示。使天線分別工作在下邊頻fL、中心頻點(diǎn)f0和上邊頻fH，利用HFSS軟件對(duì)其陣中方向圖進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果如圖6所示。

圖5 9×9天線陣面布局

圖6 陣中方向圖

由仿真結(jié)果可知，在4 GHz帶寬內(nèi)，天線E面3 dB波束寬度為121°～134°，H面3 dB波束寬度為96°～104°，陣中天線單元增益為5.06 dB～5.9 dB，如表1所示，能夠滿足相控陣天線±60°掃描范圍及帶內(nèi)天線增益要求。

表1 陣中天線單元增益

4 陣列波束掃描特性

為衡量天線陣列掃描特性，分別沿E面和H面方向建立16元線陣，陣元間距與貼片單元尺寸一致，天線分別工作在fL、f0和fH3個(gè)頻點(diǎn)，波束掃描角度為0°、30°和60°，根據(jù)波束掃描公式給每個(gè)天線單元配相，仿真結(jié)果如圖7所示。

圖7 陣列波束掃描特性

由圖7可知，在全頻帶范圍內(nèi)波束沿E面和H面掃描過(guò)程中均無(wú)柵瓣產(chǎn)生，副瓣結(jié)構(gòu)穩(wěn)定且遠(yuǎn)副瓣下降趨勢(shì)明顯，交叉極化低于-30 dB，能夠滿足寬帶寬角掃描要求。

5 結(jié) 論

本文基于H形縫隙耦合饋電和小孔耦合原理，設(shè)計(jì)了一種具有自校準(zhǔn)功能的寬帶寬角掃描貼片天線。該天線在4 GHz帶寬內(nèi)有源駐波、方向圖及耦合性能穩(wěn)定且具有良好的低交叉極化性能，同時(shí)兼有微帶貼片天線低剖面、易集成的優(yōu)點(diǎn)，能夠滿足一般相控陣天線應(yīng)用需求，并在智能蒙皮技術(shù)中具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。