L波段相控阵天线单元设计

摘要：现代无线技术快速发展，相控阵雷达天线对天线单元提出了越来越高的要求。本文设计了一种低剖面、轻量化、具有宽角扫描能力的线极化微带天线，广泛适用于星载、机载等平台，且具有低成本，可维修性的优点。仿真结果表明，在15%带宽内，天线单元E面扫描±60°，H面扫描±20°范围内有源驻波均小于2.5；阵中单元3dB波瓣宽度覆盖扫描范围，并加工小面阵测试验证。

关键词：低剖面；宽角扫描；轻量化；相控阵天线。

1.    引言

如今通信、雷达、电子战一体化综合电子信息系统已成为现代电子战装备发展的主流方向，而具有宽角扫描性能的相控阵天线是其构成的基础。相控阵天线是由许多天线单元排阵所构成的定向阵列天线，通过控制各个单元的相位实现波束扫描，其优点包括^[1]：1.载体平台可使用高增益天线，有利于提高整个系统性能；2.可在宽区域内跟踪目标，适合载体跨区域的使用需求；3.波束扫描速度快、跟踪精度高，适应载体的高速机动性能；4.易于形成多个波束，可在空间实现信号功率的合成。

相控阵天线除了具有上述优点之外，也具有一定的缺点，主要表现在宽角扫描时增益下降较大，因此扫描范围有限。对于弹载、机载等平台，其重量、体积和剖面高度等都受到限制，因此低频低剖面宽角扫描相控阵天线设计已是当今相控阵天线的重要发展趋势。相控阵天线扫描范围受限主要有两个原因，一是天线单元端口输入阻抗与扫描角相关，扫描范围越大，则越难在不同扫描角均实现阻抗匹配，导致天线效率降低；二是天线单元阵中波束宽度有限，而阵列方向图为阵因子与天线单元方向图之乘积，故大扫描角方向阵列增益下降过大。因此宽角扫描相控阵天线要求天线单元具有良好的宽角阻抗匹配性能和较宽的波束宽度。

传统的线极化相控阵天线单元包括印刷阵子天线、Vivaldi天线，槽线天线、喇叭天线、微带天线等，文献[2-3]中设计的Vivaldi天线能够实现较宽频带内的宽角扫描，但其纵向较大，不符合低剖面的要求；槽线天线^[4,5]与Vivaldi天线工作原理相似，但由于其馈电结构的不对称性通常会引入驻波奇异点；文献[6,7]中的喇叭天线具有高增益、高效率的优点，但应用于低频时重量过大；微带天线剖面低，重量轻，但带宽较窄^[8]，文献[9]实现了宽带和高增益，但结构复杂，不利于批量生产。

2.    天线单元结构

本文设计了一种纸蜂窝支撑的微带天线，其结构如图1所示。天线剖面高度仅为十分之一中心频率波长，且为降低天线重量，纸蜂窝采用孔格边长1.83mm，密度29kg/m³的较轻质型号，印制板采用厚度0.127mm的国产睿龙RA300型印制板，密度2.02×10³kg/m³。采用HFSS对天线仿真过程中发现，天线谐振频率随扫描角变化而偏移，故在方形贴片上开U形槽增加带宽。

同时本文设计了一种新颖的馈电结构如图2所示，该馈电结构将同轴内芯延长，末端焊接直径12mm的金属圆盘，圆盘与贴片纵向间距约2mm。为保证结构强度同时降低重量，金属圆盘采用直径12mm的表面覆铜的聚四氟乙烯替代，厚度为3mm，同轴内芯包裹直径2mm聚四氟乙烯，底部为直径12mm的聚四氟乙烯以保证结构稳定。这样的馈电结构在贴片与馈电探针之间引入容性，与探针带来的感性形成较好的匹配，从而进一步拓展带宽。该馈电结构具有后向安装与维修的特点，增加了天线可维修性。根据上述材料计算得面密度仅为0.94kg/m²。

图1、天线单元结构

图2、馈电结构

3.    仿真结果

在商用软件HFSS中建立周期边界仿真模型，通过优化开槽尺寸及馈电结构，得到E面扫描0~60°及H面扫描0~20°有源驻波如图3、4所示。

图3、E面有源驻波

图4、H面有源驻波

仿真结果表明，E面扫描60°内有源驻波均小于2.5，H面扫描60°内有源驻波均小于2，满足设计需求。

相控阵天线的宽角扫描性能还与天线单元阵中波束宽度相关，阵中单元波束宽度越宽，扫描增益下降越小，扫描能力越强。本文建立上述天线单元的5×5阵列模型，计算阵中单元二维有源驻波，考察阵中单元实际增益的波束宽度，仿真结果如图5、6所示。

图5、阵中单元中心频点二维有源驻波

图6、阵中单元E面H面波束宽度

小面阵仿真计算结果表明，中心频点二维有源驻波较周期边界条件的单元仿真结果略有恶化，但在可接受范围内；阵中单元波束宽度E面约120°，H面约40°，覆盖扫描范围，E 面方向图增益起伏较大，分析其原因为小面阵规模较小，边界条件的设置对其存在影响。

4.    测试结果

基于上述仿真模型，制作8×4小面阵如图7所示，其馈电结构如图8。

图7、8×4小面阵

图8、馈电结构

测试小面阵阵中单元驻波及其与其他各单元间互耦，计算其有源驻波，采用近场测试的方法测试阵中单元方向图。测试结果如下。

图9、阵中单元中频二维有源驻波

图10、阵中单元E面增益及交叉极化

图11、阵中单元H面增益及交叉极化

表1、小面阵效率计算

频率(GHz)	喇叭增益	喇叭电平	喇叭损耗	天线电平	天线损耗	天线增益	理论增益	效率
fL	15.2	-2.25	3.66	-1.25	6.44	18.98	19.76	83.56%
f0	15.8	-3.19	3.81	-1.51	6.44	20.11	20.45	92.47%
fH	16.4	-4.7	3.87	-3.24	6.44	20.43	21.1	85.70%

测试结果与仿真结果接近，阵中单元二维有源驻波均小于2.5，波束宽度能够覆盖扫描范围，交叉极化优于-20dB，效率计算^[10]见表1，频带内效率高于83%，达到工程应用水平。

5.    结论

本文针对星载及机载平台需求，设计了一种L波段低剖面、轻量化、维修性高的相控阵天线单元，实现了E面扫描±60°，H面扫描±20°的宽角扫描，效率高于83%，具有良好的工程可实现性。

参考文献

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