X波段低副瓣陣列天線研制

司 軍，柯 濤，張莉萍

（船舶重工集團公司723所，揚州225001）

0 引 言

如今的平面陣列天線多由多條行饋或者列饋組成。而在一維相掃的相控陣?yán)走_中，大部分是采取每行一個或者幾個收發(fā)組件，方位面一般是機械掃描，為了增強抗干擾的能力，需要采取低副瓣設(shè)計，饋電網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計就至關(guān)重要[1]。

實踐證明，在高頻段相控陣?yán)走_中，尤其是X波段以上，只有實現(xiàn)了天饋一體化，才方便后續(xù)的生產(chǎn)調(diào)試。天線單元和功分器集成化設(shè)計，加工出來的天線不需要調(diào)試，只要加工工藝控制到位，設(shè)計的時候余量留夠，一般都是能夠滿足需求的。

饋電網(wǎng)絡(luò)最基本的要求是提供陣列天線幅度相位加權(quán)所需的功率和相位。在設(shè)計之初就考慮到天線互耦的影響并設(shè)法減弱，這對低副瓣、超低副瓣天線的設(shè)計都是必然的。

本文采取了帶狀線印刷振子與功分網(wǎng)絡(luò)一體化設(shè)計，首先設(shè)計經(jīng)過幅度加權(quán)的功分網(wǎng)絡(luò)，然后與天線協(xié)同仿真。

1 技術(shù)指標(biāo)

天線技術(shù)指標(biāo)為：工作頻帶：X波段±400MHz；天線副瓣：小于－30dB；輸入駐波：小于1.8；陣列形式：天線與功分網(wǎng)絡(luò)一體化設(shè)計；方位波寬：1°。

2 天線單元設(shè)計

陣列天線中單元天線間的耦合將影響振子上的電流，設(shè)計之初就要在小陣中完成單元的設(shè)計。

單元振子天線主要有3種結(jié)構(gòu)形式，分別是微帶耦合結(jié)構(gòu)、帶狀混合環(huán)直接饋電結(jié)構(gòu)、帶線耦合結(jié)構(gòu)。本文選取了帶線耦合結(jié)構(gòu)，如圖1所示。圖中：L為輻射臂長度；D為輻射臂寬度；W 為饋線寬度。印刷振子帶寬較寬，經(jīng)過特殊設(shè)計后，可以滿足二維相控陣?yán)走_天線寬波束的需求。

經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計，得到振子天線的基本參數(shù)如表1所示。

圖1 印刷振子結(jié)構(gòu)圖

表1 振子的基本參數(shù)

在實際應(yīng)用中，結(jié)合經(jīng)常使用的板材，選取了介質(zhì)板厚度為1.2mm，介電常數(shù)為2.5的Taconic板材。

建立模型后通過仿真軟件建模優(yōu)化，得到了天線單元的駐波曲線如圖2所示，可見在800MHz頻帶范圍內(nèi)駐波均在1.1以下，該類型的天線駐波帶寬較寬。

圖2 天線單元駐波曲線

3 饋電網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

3.1 陣列天線綜合設(shè)計

由于要求陣列天線方位面波束寬度為1°，且副瓣電平為－30dB，所以首先選取單元間距為19mm，并采取Taylor方式進行加權(quán)，按照余量設(shè)計法原則，選取－40dB副瓣電平進行設(shè)計，得到幅度分布，然后根據(jù)幅度分布計算各子功分器的相關(guān)參數(shù)。

3.2 功分器設(shè)計理論

陣列天線的饋電網(wǎng)絡(luò)可以提供各天線單元發(fā)射或者接收時所需的幅度和相位加權(quán)，完成陣列天線的賦形功能。在實際設(shè)計中，一般采取功分器通過網(wǎng)絡(luò)級聯(lián)的形式來完成整個功分網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計。功分器有很多形式，如混合型功分器、分支線功分器等，應(yīng)根據(jù)一定原則結(jié)合實際情況進行選取。本項目中，選取原則主要是以下幾個：（1）插損要小；（2）隔離度要高，相鄰端口間隔離度至少－25dB；（3）結(jié)構(gòu)簡單，便于調(diào)試設(shè)計，便于批量化生產(chǎn)。

單元功分器選取了工程上應(yīng)用較多的Wilkson功分器形式，其基本結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 Wilkson功分器結(jié)構(gòu)圖

在設(shè)計功分器的時候，首先根據(jù)具體要求選取寬帶或者窄帶功分器，本文中選取了寬帶功分器，需要兩級阻抗變換段。圖3中所示的就是其原理圖。

在已知端接阻抗Z0，Z1，Z2和功分比情況下，設(shè)計功分器的計算公式為[2]：

式中：P2為端口2的輸出功率；P1為端口1的輸出功率。

任意功分比的一分二功分器設(shè)計步驟為：

（1）根據(jù)功分比計算k2；

（2）根據(jù)Z0，Z1，Z2和k2計算特性阻抗Z12、Zo1、Zo2、Zt1、Zt2及隔離電阻值；

（3）計算特性阻抗對應(yīng)的線寬；

（4）電磁軟件仿真計算，得到結(jié)構(gòu)尺寸。

3.3 饋電網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)

仿真好單個功分器后就要建立適當(dāng)?shù)耐負浣Y(jié)構(gòu)，拓撲結(jié)構(gòu)的選取需要考慮到后接功分比不能大于2.5，否則就難以實現(xiàn)。

由于本雷達天線有2.4m長，考慮到國內(nèi)微帶板的加工能力一般最大為600mm，故在設(shè)計之初就要進行仔細的劃分，經(jīng)過認真的計算、篩選，最終選取了如圖4～圖7所示的拓撲結(jié)構(gòu)。

圖4 一分十九拓撲結(jié)構(gòu)圖

圖5 一分八拓撲結(jié)構(gòu)圖

圖6 一分九拓撲結(jié)構(gòu)圖

圖7 一分十二拓撲結(jié)構(gòu)圖

考慮到對稱因素，另一半和這一部分是對稱設(shè)計的，只需要翻轉(zhuǎn)即可，然后通過一個一分八的功分器相連完成整個網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計。

4 功分網(wǎng)絡(luò)仿真設(shè)計

根據(jù)圖4～圖7得到的拓撲結(jié)構(gòu)圖，計算每個功分器的相關(guān)參數(shù)，并通過電磁仿真軟件仿真優(yōu)化。由于整個功分網(wǎng)絡(luò)是通過級聯(lián)而成的，需要保證每個功分器：

（1）輸入輸出口駐波均在1.14以下；

（2）插損小于0.1；

（3）各端口隔離度小于－25dB。

由于該天線是電大尺寸的，需要軟件協(xié)同仿真，本文利用Ansoft hfss與Ansoft designer協(xié)同仿真，得到了符合要求的功分器。圖8為仿真模型，圖9為仿真的駐波曲線。

圖8 協(xié)同仿真的模型

圖9 協(xié)同仿真的功分器各端口駐波

由圖9可以看出，整個大型功分網(wǎng)絡(luò)駐波在頻帶內(nèi)最大為1.48，輸入端口駐波為1.3，各端口相位在頻帶內(nèi)誤差為6°，幅度誤差為0.2dB。

5 線與功分網(wǎng)絡(luò)一體化設(shè)計

實踐表明，天線與功分網(wǎng)絡(luò)一體化設(shè)計既便于調(diào)試生產(chǎn)，也便于實現(xiàn)低副瓣甚至超低副瓣。

把功分網(wǎng)絡(luò)和天線單元連接后，需要調(diào)節(jié)振子饋電線的長度來調(diào)節(jié)輸入端駐波比，反復(fù)幾次優(yōu)化后可以達到預(yù)定的駐波要求。

由于該天線長度是電大尺寸，現(xiàn)有的計算機無法滿足計算需要，故首先根據(jù)協(xié)同仿真得到幅度和相位分布，然后編程計算天線的方向圖。雖然這種方法沒有考慮互耦的影響，經(jīng)驗表明，只要功分網(wǎng)絡(luò)的幅相在一定的誤差范圍內(nèi)，由其饋電的天線行的副瓣等指標(biāo)是可以滿足要求的。圖10～圖12是子天線的CAD圖。

圖10 一分十九天饋一體化CAD圖

圖11 一分十七CAD圖

圖12 一分十二CAD圖

提取出協(xié)同仿真的數(shù)據(jù)，用Matlab計算了3個頻點的方向圖數(shù)據(jù)，如圖13～15所示。

圖13 下邊頻方向圖數(shù)據(jù)

圖14 中心頻率方向圖數(shù)據(jù)

圖15 上邊頻率方向圖數(shù)據(jù)

從計算數(shù)據(jù)可以看出，在頻帶范圍內(nèi)，天線的副瓣均在－35dB以下，跟理論設(shè)計的－38dB相差不大，接上天線后考慮互耦影響，天線的副瓣在－33dB以下，滿足指標(biāo)要求。

6 結(jié)束語

本文介紹的設(shè)計一體化陣列天線的技術(shù)，是常規(guī)的設(shè)計天饋一體化的方法，若計算機內(nèi)存足夠大，是可以完成整體仿真的。

[1]劉新瓊.S波段大型功分饋電網(wǎng)絡(luò)設(shè)計[J].空間電子技術(shù)，2010（1）：101-102.

[2]王鑫亮.S波段賦形陣列天線的研制[M].成都：電子科技大學(xué)，2009.