X波段水平極化串饋微帶天線設計

蔡振龍，蘇龍閣，韓彥中，尹 興

(1.中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081；2.河北省智能化信息感知與處理重點實驗室，河北 石家莊 050081；3.陸軍裝備部駐石家莊地區(qū)第一軍代室，河北 石家莊 050081)

0 引 言

連續(xù)波雷達通過高增益天線發(fā)射電磁波并接收目標回波信號。天線的副瓣電平、極化方式、波束寬度、收發(fā)天線隔離度等指標會影響雷達性能，與垂直極化相比，水平極化波在船舶雷達等一些應用場合可以減小雜波影響。

微帶天線因為具有低成本、低剖面、較輕的重量和容易設計控制的方向圖等優(yōu)點被廣泛應用于雷達和無線通信系統(tǒng)中[1-2]。微帶天線常用并饋和串饋2種饋電網絡。并饋網絡復雜且體積較大，饋線本身的輻射效應會使天線方向圖惡化，而且并饋網絡傳輸線更長，饋電網絡的插入損耗也就更大。本文為行波陣采用中心饋電串饋網絡，串饋網絡饋線更短，使得天線的輻射效率更高，行波陣的帶寬比駐波陣要寬，中心饋電可以克服行波陣波束指向隨頻率變化的缺點[3-4]。

1 理論分析及公式推導

天線陣陣元的設計采用諧振式矩形微帶陣元。矩形陣元的寬度W、長度L推導如下[1-2]：

(1)

(2)

(3)

(4)

式中：fr為工作頻率；c為光速；εr為微帶基板的相對介電常數(shù)；εe為等效介電常數(shù)；h為PCB板材厚度；Δl為微帶線的等效伸長量。

由上式計算得出的理論尺寸在實際仿真過程中需要進一步調整。

2 天線單元及饋電網絡設計

所設計天線的印刷電路板(PCB)板材采用聚四氟乙烯玻璃布板，介電常數(shù)為2.65，厚度為1 mm，相鄰天線單元間距為導波波長λg。天線單元仿真模型如圖1所示。圖2～圖4為陣中單元仿真方向圖及駐波曲線。

圖1 天線單元仿真模型

圖2 天線單元E面方向圖

圖3 天線單元H面方向圖

圖4 天線單元反射系數(shù)

微帶天線的饋電網絡一般分為并饋和串饋2種形式。并饋網絡一般傳輸線比較長，傳輸損耗比較大，而且功分網絡切角、拐彎等不規(guī)則的點比較多。這些不規(guī)則點都會產生一定的輻射，影響天線的方向圖，使得天線副瓣抬高[5-6]。而串饋網絡傳輸線比較短，不規(guī)則點少，傳輸損耗更小，饋線輻射對天線方向圖的影響更小。串饋天線一般分為2種：一種是在分支線上進行變換，以得到需要的電流分布；另一種是在主傳輸線上進行阻抗變化以得到需要的電流分布[7-8]。第1種串饋網絡單元數(shù)稍多一點時，阻抗變換線太細，不能保證加工精度；第2種在主傳輸線上進行變換，加工容易，精度易保證[9-10]?；谝陨蟽?yōu)點，本天線采用了串饋網絡的第2種形式。

3 隔離金屬板的設計

該連續(xù)波雷達要求天線俯仰面波束寬度為20°左右，傳統(tǒng)的設計方法為天線單元在俯仰上組陣，通過俯仰上排布的4個天線單元來實現(xiàn)。如圖5所示，通常有(a)、(b)2種組陣方式，水平極化微帶貼片俯仰面尺寸比較大，這樣的組陣設計通常帶來的問題是：俯仰面相鄰單元間距過大則會產生柵瓣，間距過小則饋線和貼片互耦很大，使俯仰面副瓣惡化[11-13]。

圖5 天線常規(guī)俯仰維組陣設計

為了解決上述問題，天線采用俯仰面單貼片方案，在單貼片兩側安裝2塊金屬板，結構類似于一個開口喇叭，可以在不影響方位面副瓣的情況下壓窄俯仰面波束寬度，通過調節(jié)金屬板的間距和高度可以調整方向圖波束寬度[14-15]。金屬板高度H由下面公式計算：

2θE=80λr/H

(5)

式中：2θE為E面垂直波束寬度；λr為工作波長；H為金屬板高度。

由最佳喇叭天線設計條件得2個金屬板之間的間距S[16]：

(6)

式中：H為金屬板高度；λr為工作波長；S為金屬板之間的間距。

圖6為加金屬板空間電場矢量分布，可以看到極化方向為水平極化，饋線有較強輻射。

圖6 加金屬板空間電場矢量分布

4 陣列仿真及測試結果分析

天線如圖7所示，通過PCB技術加工，為了提高天線增益，在天線兩側安裝兩塊金屬板壓窄俯仰面波束寬度，同時會顯著提高收發(fā)天線的隔離度。仿真和測試的天線陣方向圖如圖8～圖10所示，天線電壓駐波比如圖11所示，其中黑色曲線為仿真結果，灰色曲線為實測結果。圖12為天線H面歸一化方向圖，圖13為收發(fā)天線隔離度，黑色曲線為不加金屬板的隔離度，灰色曲線為增加金屬板的隔離度[17-18]。

圖7 天線實物

圖8 9.3 GHz 天線E面方向圖

圖9 9.35 GHz 天線E面方向圖

圖10 9.4 GHz 天線E面方向圖

圖11 天線電壓駐波比曲線

圖12 天線H面歸一化方向圖

圖13 收發(fā)天線隔離度

由圖8～圖11可見，天線實測方向圖和仿真方向圖吻合良好，在100 MHz范圍內，天線副瓣電平低于-22 dB，天線電壓駐波比小于1.35。由圖12～圖13可見，加金屬板可以壓窄天線波束，H面波束寬度由57°變?yōu)?0°，而且顯著提高了收發(fā)天線的隔離度，與不加金屬板相比，隔離度增大了10 dB左右。

5 結束語

本文設計和加工了一個中心饋電的微帶陣列天線，天線應用于連續(xù)波雷達，通過在天線兩側安裝兩塊金屬板，壓窄了俯仰面波束寬度，提高了天線增益，收發(fā)天線的隔離度達到了60 dB以上，天線測試結果和仿真結果吻合良好。