低副瓣機(jī)載天線陣設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

張萬玉，伍 濱，張 釗

(1．總裝北京軍代局駐石家莊地區(qū)軍代室，河北石家莊050081;2．上海交通大學(xué)機(jī)械系統(tǒng)與振動國家重點(diǎn)實(shí)驗室，上海200240)

0 引言

隨著電子信息技術(shù)的發(fā)展，作戰(zhàn)區(qū)域的電磁環(huán)境越來越復(fù)雜，電子干擾威脅越來越嚴(yán)重。雙方對電磁控制權(quán)的爭奪，可以導(dǎo)致無線電電子設(shè)備不能正常工作、通信指揮失靈、雷達(dá)迷盲和電子制導(dǎo)失控等。隨著技術(shù)的發(fā)展，要求機(jī)載雷達(dá)系統(tǒng)能夠擁有更強(qiáng)的抗電子干擾、抗反輻射導(dǎo)彈、抗雷達(dá)探測、抗高速反艦導(dǎo)彈的低空和超低空打擊的能力。陣列天線是解決上述問題的有效的手段之一。為了有效對抗目標(biāo)，提高雷達(dá)抗干擾的能力，都對雷達(dá)天線提出了低或超低副瓣陣的要求。目前，極低副瓣天線已經(jīng)成為高性能電子系統(tǒng)的一個重要組成部分，特別是雷達(dá)在有嚴(yán)重地物和電子干擾環(huán)境中有效地工作，必須采用副瓣盡可能低的天線。

以典型的中等規(guī)模C波段圓極化天線陣作為例，選取C波段圓極化天線陣指標(biāo)要求為工作中央頻點(diǎn) 5．815 GHz、工作頻段 5．715 － 5．915 GHz(VSWR ＜2．0)，天線陣設(shè)計增益不小于 18 dBi，主波束指向交叉極化抑制超過15 dB，低副瓣設(shè)計指標(biāo)為第一副瓣相對主瓣增益小于－20 dB，接下來詳細(xì)介紹C波段圓極化天線陣的設(shè)計和調(diào)試過程、仿真分析結(jié)果以及實(shí)物測試結(jié)果。

1 天線陣結(jié)構(gòu)設(shè)計

實(shí)現(xiàn)低副瓣天線陣的關(guān)鍵技術(shù)分別是性能良好的饋電網(wǎng)絡(luò)和控制陣元間的互耦，參考類似天線陣饋電網(wǎng)絡(luò)設(shè)計，發(fā)現(xiàn)絕大多數(shù)天線陣采用基本的T型枝節(jié)實(shí)現(xiàn)功分的功能，在設(shè)計饋電網(wǎng)絡(luò)時采用饋電網(wǎng)絡(luò)與天線陣元在金屬地面的同一側(cè)，并且網(wǎng)絡(luò)分布于天線陣之中的布局方式，同時考慮到饋電網(wǎng)絡(luò)關(guān)于x軸和y軸都成線對稱，所以一般將饋電網(wǎng)絡(luò)分成4個4×2單元小饋電網(wǎng)絡(luò)分別設(shè)計，圖1是初步設(shè)計結(jié)果，圖中右側(cè)虛線框所示均為功分枝節(jié)結(jié)構(gòu)。

圖1 常規(guī)天線陣饋電網(wǎng)絡(luò)設(shè)計結(jié)果

在工程試驗過程中經(jīng)常發(fā)現(xiàn)該種設(shè)計的單元間距稍顯局促，天線單元之間存在一定程度的互耦，而且饋電網(wǎng)絡(luò)的可用空間太小，造成饋電網(wǎng)絡(luò)和單元之間較強(qiáng)的互耦影響。同時為實(shí)現(xiàn)低副瓣指標(biāo)，天線陣4個頂角的天線單元激勵幅度應(yīng)當(dāng)非常微弱，然而實(shí)際上由于來自相鄰單元和饋電網(wǎng)絡(luò)的能量耦合，這4個單元的激勵幅度大于理論值而且難以消減。為避免這種情況，本文嘗試采用缺元陣的形式，即去掉四角的4個單元。在上述常規(guī)天線陣基礎(chǔ)上去掉四角的4個單元后，由陣元方向圖與陣因子相乘得到的陣方向圖可見，低副瓣特性得到一定程度的改善，最重要的是消除了副瓣升高的隱患。

考慮到上述2個改進(jìn)需求，在保留基本對稱特性的基礎(chǔ)上，確定采用“6×4－4”單元天線陣結(jié)構(gòu)，即在6×4單元結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上去掉四角的4個單元，單元間距取約3/4λ。

2 新型功分器設(shè)計

在功分器的選擇問題上，考慮到6×4單元天線陣若僅采用一分二功分器饋電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)將變得非常復(fù)雜，故在設(shè)計過程中開發(fā)了一款性能良好的一分三功分器。

目前廣泛采用的三功分器有如下幾類:①采用2個或2個以上二功分器級聯(lián)構(gòu)成三功分器;②采用與Wilkinson結(jié)構(gòu)原理相近似的平面對稱三功分器結(jié)構(gòu)，通過合理設(shè)計隔離電阻值、采用寬度漸變微帶線和采用耦合微帶線等手段，抑制三路間的不平衡，獲得良好的功率等分性能和隔離性能;③ 采用扇形微帶枝節(jié)和輻射狀放置的電阻構(gòu)成寬帶多路功分結(jié)構(gòu);④由不同特征阻抗的微帶線構(gòu)成多端口網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)各端口良好的匹配和端口間的隔離，并由指定的端口完成三功分器的功能。

其中，第1類功分器能夠較好產(chǎn)生所需比例的功率輸出，實(shí)現(xiàn)各端口的匹配和輸出端口間的隔離，但電路占用空間較多，微帶線路徑較長，參數(shù)結(jié)果使用軟件優(yōu)化得到，且為提高隔離度而使用集總參數(shù)濾波器;第2、3類功分器匹配和隔離指標(biāo)具佳，占用空間中等，通常用作等分輸出，但外形較為復(fù)雜、所加電阻數(shù)目較多，通常參數(shù)較多且某些參數(shù)與設(shè)計指標(biāo)間無顯式的表達(dá)式，需通過數(shù)值計算和優(yōu)化完成設(shè)計;第4類功分器各項指標(biāo)較好，外形簡單，參數(shù)較少且易于設(shè)計和優(yōu)化，能夠?qū)崿F(xiàn)任意比例的功率輸出，但占用空間稍大，約需要0．5λ×0．5λ的空間，這在通常的天線陣饋電電路中是不能被接受的。

提出一種基于支線定向耦合器的新型微帶線三分支功率分配器結(jié)構(gòu)，該新型功分器由2個對稱放置的支線定向耦合器組合而成;采用奇偶模激勵方法結(jié)合傳輸線理論對該新型功分器的傳輸特性進(jìn)行建模和分析，并據(jù)此給出該新型功分器主要參數(shù)的設(shè)計方法。通過與實(shí)物測試結(jié)果比較，可實(shí)現(xiàn)各端口的完全匹配以及端口間的高隔離度，結(jié)構(gòu)簡單緊湊，占用空間小，易于集成在微波電路系統(tǒng)和天線陣饋電系統(tǒng)之中。其結(jié)構(gòu)立體效果圖如圖2所示，該結(jié)構(gòu)可以看做由2個分支線定向耦合器組合而成。

圖2 新型一分三功分器結(jié)構(gòu)立體效果圖

當(dāng)新型三路功分器設(shè)計成等功分器情況下各端口功分比例平均，該功分器匹配特性和端口隔離特性滿足指標(biāo)要求如圖3所示。

新型三路功分器的應(yīng)用較好解決了饋電網(wǎng)絡(luò)的布局問題，明顯簡化的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，避免出現(xiàn)饋電網(wǎng)絡(luò)圍繞某些單元旋轉(zhuǎn)一周的強(qiáng)耦合結(jié)構(gòu)，同時保證了饋電網(wǎng)絡(luò)各端口良好的匹配和端口間的隔離性能，最大程度減弱由饋電網(wǎng)絡(luò)引起反射和端口間的串?dāng)_。通過調(diào)整饋電網(wǎng)絡(luò)各端口的幅度和相位分布，最終得到了應(yīng)用Wilkinson功分器、平行線耦合器和新型三功分器的初步饋電網(wǎng)絡(luò)設(shè)計結(jié)果。

圖3 新型三路功分器匹配特性和端口隔離特性仿真曲線

3 消減互耦的散射體設(shè)計

采用在天線單元附近增加金屬散射結(jié)構(gòu)體的方法，改變天線單元周圍的邊界條件，并通過在散射體上設(shè)計接地電阻將耦合能量主動吸收，即金屬散射體結(jié)合接地電阻，利用有耗的散射結(jié)構(gòu)接收并消耗耦合能量。其中散射體不是通過金屬過孔直接與地面相連，而是通過接地電阻與地面相連(也可以將散射體理解為一個小的微帶天線，端口接有匹配負(fù)載吸收能量)，同時金屬散射體結(jié)構(gòu)并不是近距離包圍天線單元，而是僅在天線單元距離饋電網(wǎng)絡(luò)較近的地方放置，該方法利用接匹配負(fù)載的散射體良好控制了天線單元與饋電網(wǎng)絡(luò)間的互耦，在其他條件均相同的情況下，能夠使天線陣的第一副瓣電平下降約2 dB，而且不會破壞其輻射特性。

最終設(shè)計結(jié)果如圖4所示，通過調(diào)試整個天線陣所有單元邊長15．2 mm，除中心四個單元切角邊長為2．4 mm外，其余16個單元切角邊長均為2．6 mm。有一點(diǎn)需要注意，因原饋電網(wǎng)絡(luò)中第一級圓形Wilkinson功分器占用空間太大導(dǎo)致距離天線單元過近，故采用圓滑的葫蘆形替代。

圖4 應(yīng)用新型功分器和有耗散射體抑制互耦的天線陣設(shè)計結(jié)果示意圖

4 仿真分析和實(shí)測結(jié)果

4.1 天線陣設(shè)計仿真結(jié)果

采用Ansoft HFSS v10．0對C波段圓極化天線陣進(jìn)行建模，通過對天線陣的輸入阻抗特性進(jìn)行仿真分析可以看出天線陣在整個工作頻段滿足VSWR＜1．5的指標(biāo)，大部分工作頻段滿足 VSWR＜1．35。同時在天線陣中央頻點(diǎn)處的輻射特性仿真結(jié)果中可以看出天線陣在最大輻射方向交叉極化抑制超過16 dB，基本保持了天線單元的良好特性，在φ=0°切面相對副瓣電平均低于 －24．5 dB，在 φ=90°切面主極化分量的相對副瓣電平均低于－19．5 dB，較好實(shí)現(xiàn)預(yù)期設(shè)計指標(biāo)，部分指標(biāo)超額滿足要求。美中不足的是φ=90°切面第一副瓣處交叉極化分量較大，該問題雖不影響使用但值得進(jìn)一步深入研究。在以上結(jié)果的基礎(chǔ)上，本文分別仿真分析了φ=0°切面二維直角坐標(biāo)方向圖、φ=90°切面二維直角坐標(biāo)方向圖、φ=0°切面二維極坐標(biāo)方向圖、φ=90°切面二維極坐標(biāo)方向圖，證明了該天線陣方向性穩(wěn)定，在整個工作頻段起伏很小，完全滿足指標(biāo)要求。

4.2 天線陣實(shí)物測試結(jié)果

本方案選擇國產(chǎn)雙面覆銅微波板材(介電常數(shù)2．55、板材厚度1．8 mm、銅箔厚度35 um)作為基材，采用PCB工藝加工制作，表面采用鍍錫金(水金)工藝以提高導(dǎo)電率、減弱因金屬趨膚效應(yīng)引起的損耗。

天線陣采用同軸連接器背面饋電，通過同軸線接SMA-F型接口。通過對該低副瓣天線陣的阻抗特性實(shí)物測試，可以看出其VSWR特性與仿真設(shè)計結(jié)果稍有偏差，天線的諧振點(diǎn)(VSWR最小的頻點(diǎn))在5．715 GHz，稍低于設(shè)計指標(biāo)中心頻率約100 MHz，相對偏差約 1．72%，在 5．715 GHz處VSWR=1．104，5．815 GHz處 VSWR=1．786，在5．915 GHz處 VSWR=2．403。如果不考慮中心頻點(diǎn)的偏差，阻抗特性的絕對帶寬(VSWR＜2．0)約為180 MHz，相對帶寬為 3．15%。

阻抗特性測試值與設(shè)計值存在一定程度偏差，通常情況下主要是由于板材實(shí)際介電常數(shù)與標(biāo)稱值有一定差異導(dǎo)致的，這種誤差可以通過幾次“加工－測試－修正”的環(huán)節(jié)解決。

圖5與圖6為該低副瓣微帶天線陣方向性的測試結(jié)果。從測試結(jié)果可以看出，該微帶天線陣的輻射特性與計算仿真結(jié)果相當(dāng)吻合，僅是在后瓣附近與仿真結(jié)果稍有出入，應(yīng)該是用于固定天線的測試軟件對結(jié)果產(chǎn)生一定的影響。

圖5 中央頻點(diǎn)處φ=0°切面主極化與交叉極化分量方向圖

圖6 中央頻點(diǎn)處φ=90°切面主極化與交叉極化分量方向圖

在φ=0°切面，左旋圓極化分量的第一副瓣電平相對主瓣約為－23 dB;主瓣方向交叉極化抑制達(dá)15 dB;在φ=90°切面，左旋圓極化分量的第一副瓣電平相對主瓣約為－18 dB。

該低副瓣微帶天線陣在φ=90°切面比φ=0°切面副瓣電平指標(biāo)稍差，主要是由于天線陣在該方向僅有4個陣元，對波束控制能力有限造成的;而且外層天線單元都是由平行耦合線定向耦合器耦合出的能量饋電，該結(jié)構(gòu)定向耦合器的耦合系數(shù)與板材參數(shù)密切相關(guān)，聯(lián)系到之前VSWR測試結(jié)果分析，故可能是因為板材參數(shù)稍有偏差導(dǎo)致耦合系數(shù)與仿真結(jié)果不一致，導(dǎo)致副瓣電平升高。

5 結(jié)束語

該新型低副瓣微帶天線陣實(shí)現(xiàn)了預(yù)期的設(shè)計指標(biāo)，研究成果能夠應(yīng)用于幾乎所有頻段的微帶天線陣，低副瓣技術(shù)能夠有效降低天線間的耦合，減少無意輻射造成電磁干擾的可能，增強(qiáng)機(jī)載天線間的電磁兼容性。除此以外，該技術(shù)對于微波電路和低副瓣天線陣、相控陣領(lǐng)域也具有較高的借鑒價值和參考價值。

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