一種S 頻段雙圓極化相控陣子陣天線設(shè)計(jì)

魏德肖，陳 兵，崔雪琪，張 睿

（重慶航天火箭電子技術(shù)有限公司 重慶 400039）

引言

隨著航天技術(shù)的不斷發(fā)展和航天活動(dòng)的日益頻繁，航天測控也由傳統(tǒng)的單波束、單目標(biāo)測控體制逐步發(fā)展為多波束、多目標(biāo)測控體制[1,2]。而采用拋物面天線的傳統(tǒng)單個(gè)地面測控站已經(jīng)無法滿足同時(shí)多目標(biāo)測控任務(wù)的需求[3,4]，采用相控陣天線加數(shù)字波束形成DBF（Digital Beam Forming）的架構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)同時(shí)多目標(biāo)的測控[5,6]，該架構(gòu)的單站不僅可以實(shí)現(xiàn)全空域范圍內(nèi)任意分布多達(dá)十幾個(gè)目標(biāo)的測控，還能夠適應(yīng)未來測控網(wǎng)絡(luò)化的發(fā)展趨勢，是一種新型測控架構(gòu)[2]。而相控陣天線作為該新型測控架構(gòu)的重要組成部分，其重要性不言而喻。

文獻(xiàn)[7]設(shè)計(jì)并研制了一種基于H 形縫隙耦合饋電的微帶雙極化相控陣天線，兩個(gè)正交極化的線天線一致性良好，回波損耗＜-10 dB；文獻(xiàn)[8]采用切角方形貼片實(shí)現(xiàn)S 波段單圓極化天線設(shè)計(jì)，天線高度為14.7 mm、回波損耗＜-10 dB、圓極化軸比＜6 dB；文獻(xiàn)[9]設(shè)計(jì)了一種S 頻段寬波束圓極化微帶天線，通過在天線的輻射貼片上附加寄生貼片和利用金屬化過孔實(shí)現(xiàn)單邊短路，單元增益約為5 dB、電壓駐波比＜1.6；文獻(xiàn)[10]設(shè)計(jì)了一種工作于S 頻段的多頻縫隙微帶天線，以基本矩形雙頻微帶天線為基礎(chǔ)，采用同軸饋電，在矩形貼片上加載圓形和矩形縫隙，回波損耗＜-22 dB、單元增益約為4 dB。

本文設(shè)計(jì)的相控陣子陣天線是應(yīng)用于多目標(biāo)相控陣這一新型測控架構(gòu)，其單元天線是采用雙饋點(diǎn)探針接觸和電磁耦合兩種饋電方式的多層微帶貼片天線。雙饋點(diǎn)探針通過等幅、相差90°極化電橋網(wǎng)絡(luò)合成左旋、右旋同時(shí)雙圓極化信號，之后再通過電磁耦合和分立輻射層完成對空間電磁波信號的輻射。相控陣子陣天線由四個(gè)完全相同的單元天線構(gòu)成，子陣天線結(jié)構(gòu)簡單，易于實(shí)現(xiàn)，其工作頻帶內(nèi)的回波損耗＜-16.3 dB，陣元間隔離度均＞15 dB、頂點(diǎn)增益可達(dá)8.3 dB、方向圖半功率波束寬度＞35°、電壓駐波比≤1.43、±60°角域內(nèi)的軸比≤2.1 dB，具有良好的圓極化特性，仿真和測試結(jié)果一致性較高；同時(shí)該天線具有低剖面（高度尺寸為0.1λ0，λ0為空氣介質(zhì)波長）、結(jié)構(gòu)簡單、易于加工等特點(diǎn)。

1 相控陣單元天線分析與設(shè)計(jì)

1.1 相控陣單元天線饋電網(wǎng)絡(luò)特性

相控陣單元天線是采用雙饋點(diǎn)探針接觸和電磁耦合兩種饋電方式的多層微帶貼片天線。由于相控陣天線需要同時(shí)輸出左旋和右旋雙圓極化信號，因此相控陣單元天線的饋電網(wǎng)絡(luò)采用如圖1 所示的3 dB 90°電橋設(shè)計(jì)，通過雙饋點(diǎn)正交饋電，最終將兩路幅度相等、相差90°的信號合成為雙圓極化信號[11-13]，該饋電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉，且易于加工實(shí)現(xiàn)。

圖2 為饋電網(wǎng)絡(luò)的回波損耗曲線，從圖中可以看出在2.2 GHz～2.4 GHz 工作頻段內(nèi)S11 和S22＜-19.5 dB、S33 和S44＜-11.8 dB；圖3所示為饋電網(wǎng)絡(luò)的端口隔離和插入損耗曲線圖，從圖中可以看出在2.2 GHz～2.4 GHz 工作頻段內(nèi)各個(gè)端口的隔離度均＞14 dB、插入損耗均＜4 dB；圖4 所示為饋電網(wǎng)絡(luò)S13 和S14的相位曲線圖，從圖中可以看出在2.2 GHz～2.4 GHz 工作頻段內(nèi)端口相位差在89.4°～90°之間。饋電網(wǎng)絡(luò)各項(xiàng)參數(shù)實(shí)測結(jié)果略遜色于仿真結(jié)果，但實(shí)測結(jié)果與仿真結(jié)果一致性較高。由此可見，該饋電網(wǎng)絡(luò)性能優(yōu)良，滿足工程預(yù)期要求。

1.2 相控陣單元天線特性

相控陣單元天線主要由獨(dú)立輻射層和多層微帶貼片天線兩部分構(gòu)成，采用在獨(dú)立輻射層與多層微帶貼片天線之間插入空氣腔以提高天線工作帶寬，其三維電磁仿真模型如圖5 所示，疊層拓?fù)淙鐖D6 所示。獨(dú)立輻射層（PCB 板4）選用厚度為0.79 mm、介電常數(shù)為2.55、銅厚為0.5 oz的Taconic 單面芯板。多層微帶貼片天線由兩塊單面芯板（PCB 板1 和PCB板2）和一塊雙面芯板（PCB 板3）通過半固化片混合壓制而成，構(gòu)成饋電網(wǎng)絡(luò)帶狀線模型。多層微帶貼片天線的兩塊單面芯板（PCB 板1 和PCB 板2）均選用厚度為0.79 mm、介電常數(shù)為2.55、銅厚為0.5 oz的Taconic 單面芯板，雙面芯板（PCB 板3）選用厚度為3.18 mm、介電常數(shù)為6.15、銅厚為0.5 oz的Taconic 雙面芯板。通過在饋電網(wǎng)絡(luò)和輻射單元周圍合理布設(shè)金屬化接地孔提高組陣后陣元間隔離度；獨(dú)立輻射層與多層微帶貼片天線通過金屬螺柱進(jìn)行緊固，將獨(dú)立輻射層和多層微帶貼片天線固定在天線底面的金屬板上；天線底面的金屬板對天線起結(jié)構(gòu)支撐作用，同時(shí)還兼有反射板的作用，以減小天線的后瓣，增大主瓣增益。

單元天線的多層微帶貼片的初始尺寸可由公式（1）[14]進(jìn)行估算：

式中：l為貼片邊長，c為光在真空中的速度，f0為天線的工作頻率，rε為介質(zhì)板的相對介電常數(shù)。

對圖5所示的相控陣單元天線進(jìn)行實(shí)物加工與暗室測試，相控陣單元天線產(chǎn)品實(shí)物如圖7 所示，指標(biāo)特性如圖8～圖10所示。圖8 所示為相控陣單元天線S 參數(shù)曲線，從圖中可以看出，該單元天線在2.2 GHz～2.4 GHz 頻段范圍內(nèi)回波損耗均＜-13.5 dB、端口隔離＞12.8 dB；圖9 所示為相控陣單元天線軸比曲線，從圖中可以看出該單元天線的軸比＜1.2 dB；圖10 所示為相控陣單元天線方向圖曲線，從圖中可以看出該單元天線在2.2 GHz、2.3 GHz 和2.4 GHz 這三個(gè)頻點(diǎn)下的增益曲線基本重合，其頂點(diǎn)增益均在5.2 dB 以上，半功率波束寬度＞80°。相控陣單元天線各項(xiàng)參數(shù)實(shí)測結(jié)果雖略遜于仿真結(jié)果，但實(shí)測結(jié)果與仿真結(jié)果一致性較高。由此可見，該相控陣單元天線性能優(yōu)良，滿足工程預(yù)期要求。

2 相控陣子陣天線分析與設(shè)計(jì)

2.1 相控陣子陣天線設(shè)計(jì)

為了擴(kuò)展相控陣子陣天線的軸比帶寬，將4 個(gè)完全相同的相控陣單元天線依次順時(shí)針旋轉(zhuǎn)0°、90°、180°和270°組成2×2 陣列，構(gòu)成相控陣子陣天線，其三維電磁仿真模型如圖11 所示。圖11（a）所示為相控陣子陣天線正面圖，圖11（b）所示為相控陣子陣天線背面圖，圖11（c）所示為相控陣子陣天線斜視圖，圖11（d）所示為相控陣子陣天線側(cè)視圖。該相控陣子陣天線的激勵(lì)通過背饋探針饋入3 dB 90°極化電橋，經(jīng)極化電橋輸出同時(shí)得到左旋、右旋雙圓極化信號，然后通過電磁耦合將多層微帶貼片天線能量耦合到獨(dú)立輻射層，再由獨(dú)立輻射層完成對電磁波的空間輻射。

2.2 相控陣子陣天線特性

對圖11 所示的相控陣子陣天線進(jìn)行實(shí)物加工與暗室測試，相控陣子陣天線產(chǎn)品實(shí)物如圖12 所示，指標(biāo)特性如圖13～圖17 所示。圖13 所示為相控陣子陣天線八個(gè)端口的回波損耗曲線，從圖中可以看出在2.2 GHz～2.4 GHz 工作頻段內(nèi)八個(gè)端口的回波損耗均＜-16.3 dB；圖14 所示為相控陣子陣天線端口隔離度曲線，從圖中可以看出在2.2 GHz～2.4 GHz 工作頻段內(nèi)隔離度均＞15 dB；圖15 所示為相控陣子陣天線方向圖曲線，從圖中可以看出在2.2 GHz、2.3 GHz 和2.4 GHz 這三個(gè)頻點(diǎn)下頂點(diǎn)增益均可達(dá)8.3 dB，方向圖半功率波束寬度＞35°；圖16 所示為相控陣子陣天線八個(gè)端口的電壓駐波比曲線，從圖中可以看出在2.2 GHz～2.4 GHz 工作頻段內(nèi)電壓駐波比均＜1.43；圖17 所示為相控陣子陣天線軸比曲線，從圖中可以看出在2.2 GHz，2.3 GHz 和2.4 GHz 這三個(gè)頻點(diǎn)下±60°角域內(nèi)軸比≤2.1 dB。此外，由圖14 端口隔離度曲線可以看出，S31、S51 和S71的隔離度明顯優(yōu)于S41、S61 和S81，這是由于S31、S51和S71 屬于交叉極化隔離。相控陣子陣天線各項(xiàng)參數(shù)實(shí)測結(jié)果雖略遜色于仿真結(jié)果，但實(shí)測結(jié)果與仿真結(jié)果一致性較高。由此可見，該相控陣子陣天線性能優(yōu)良，滿足工程預(yù)期要求。

3 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)的相控陣子陣天線是應(yīng)用于多目標(biāo)相控陣測控領(lǐng)域，該相控陣子陣天線由四個(gè)完全相同的相控陣單元天線依次順時(shí)針旋轉(zhuǎn)0°、90°、180°和270°組成2×2 陣列。每個(gè)相控陣單元天線均采用探針接觸和電磁耦合兩種饋電方式實(shí)現(xiàn)寬頻帶；采用90°極化電橋作為饋電網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)左、右旋同時(shí)雙圓極化；通過在饋電網(wǎng)絡(luò)和輻射單元周圍合理布設(shè)金屬化接地孔提高陣元間隔離度。該相控陣子陣天線在工作頻帶內(nèi)的回波損耗＜-16.3 dB、陣元間隔離度均優(yōu)于15 dB、頂點(diǎn)增益可達(dá)8.3 dB、方向圖半功率波束寬度＞35°、電壓駐波比≤1.43、±60°角域內(nèi)的軸比≤2.1 dB，仿真和實(shí)測結(jié)果一致性較高；同時(shí)該相控陣子陣天線具有低剖面、結(jié)構(gòu)簡單、易于加工等特點(diǎn)，滿足預(yù)期設(shè)計(jì)要求。