一種新型C波段輕型低副瓣線陣天線

李麗嫻，胡俊毅，王建中

(上海航天電子通訊設備研究所，上海201109)

0 引言

相控陣雷達天線的低副瓣性能是雷達系統的一個重要指標［1］。在現代化戰爭中，雷達在探測目標的同時，又面臨著嚴重的電子干擾、強雜波背景、反輻射導彈、隱身目標和低空突防等問題。因此，降低雷達天線的副瓣電平是提高抗電子干擾、抗地物雜波和抗反輻射導彈的有效方法之一。

天線系統的重量是衡量一部雷達產品的另一個重要指標。降低天線重量可以有效降低運載平臺載荷，降低主軸電機的功率，減輕陣面搖擺(進而提高定位精度)，進一步帶動減小雷達相關部分的結構強度和重量，有利于提高雷達的機動能力和降低雷達生產成本。

目前的文獻大都只介紹單元振子與一分三功分器一體化設計的小型陣列天線［2］，本文介紹了一種采用準空氣帶狀線結構、C波段、相對帶寬18%的低副瓣線陣天線，具有重量輕、可靠性高、集成度高、便于制造和裝配的特點，是一種較為理想的線陣結構方式。

1 天線單元分析

在相控陣天線單元的選擇中，較多采用具有寬帶特性的微帶傘形印刷偶極子天線單元［3－5］。在本設計中，采用準空氣帶狀線結構設計了一種新型偶極子天線，如圖1所示。

圖1 天線單元分層結構

圖1中，3是巴倫直接饋電的偶極子印刷電路圖，1和7為上下兩層倒T型金屬接地層，接地層和信號層之間采用2和4空氣泡沫支撐，整個結構通過金屬圍框6和螺釘固定。

經理論計算和仿真優化設計，圖2和圖3給出天線單元的實測電壓駐波比(VSWR)曲線圖和中心頻點輻射方向圖。可以看出，該天線單元的阻抗帶寬為40%(VSWR ＜2)，3 dB 波束寬度θE×θH=60°×100°(其中，θE表示天線 E面的半功率波瓣寬度;θH表示天線H面的半功率波瓣寬度)，表明該天線在H面上具有較寬的波束寬度，為相控陣雷達天線在H面實現一維寬角掃描提供了必要的前提條件。

圖2 天線單元實測駐波曲線

圖3 天線單元中心頻點實測方向圖

2 饋電網絡分析

在工程設計中，采用泰勒綜合法實現天線低副瓣特性的方法已被廣大設計師采用［6，7］。為獲得線陣方位面方向圖副瓣電平SLL≤－25 dB，根據線陣各單元泰勒分布公式［8］，可獲得n個端口饋電網絡的泰勒分布值I。

饋電網絡設計采用樹狀拓撲結構，以帶狀線形式實現，由若干個一分二功分器并聯構成。一分二功分器的設計原則是2個輸出口功分比不能相差太大，否則2個臂的線寬相差太大，結構實現困難，且會引起幅度相位起伏［9，10］。饋電網絡示意圖如圖4所示，為了提高仿真速度，建模只畫出一半，另一半完全對稱。經阻抗變換理論計算和仿真優化設計，在工作頻帶((fH－fL)/f0=18%)內，使各輸出端口的幅度起伏≤±0．5 dB，歸一化相位起伏≤±5°。

圖4 饋電網絡

3 線陣一體化設計分析

如果直接將上述單元和饋電網絡集成，所得線陣方向圖的副瓣性能顯著惡化，天線的第1副瓣電平僅約－18 dB。分析其原因:線陣天線腔體諧振、天線單元間的互耦作用以及單元/饋網之間的阻抗失配，均可能改變幅相分配規律，導致天線副瓣電平性能惡化。因此，采用一體化設計可有效降低線陣的副瓣電平［11，12］。

為抑制腔體諧振，天線饋網部分采用金屬隔腔，將各帶狀線互相隔開，如圖5所示，在有效阻隔平行饋線間互耦的同時，還能破壞腔體的諧振條件。實測天線的副瓣電平降低至－24 dB以下，說明此方法是有效的。但該方法的缺點是金屬隔腔顯著增加了線陣的重量、加工成本和加工周期。為此，采用在饋電網絡間加金屬隔條來減小腔體體積，在電路間增加金屬柱來破壞規則形狀封閉腔的方法，同樣可以有效地消除諧振，降低副瓣電平。

圖5 金屬隔腔形式線陣的結構

針對單元間互耦可能引起的副瓣電平性能惡化問題，在本設計中，提出在單元間的金屬地板上增加隔離墻，如圖6線陣實物圖中天線頭部分短金屬片所示。實驗表明可以有效地降低單元間互耦影響，使天線單元間的隔離度增大12 dB。

饋電網絡的功率分配比是按各端口匹配進行設計的，由于天線單元與饋電網絡連接時或多或少存在阻抗失配，這將改變網絡的功率分配比和相位線性規律，尤其對本天線低旁瓣的設計要求影響明顯。因此，整體設計中采用了一體化仿真模型，通過調整單元和饋網間的匹配線長，消除失配影響。

圖6 線陣實物

4 線陣加工測試

在實際應用中，對于常規的微帶線陣，需在饋電網絡中粘貼吸波材料來解決諧振問題，由此增加了天線的重量和成本，并且在長期使用中，由于膠的老化可能導致吸波材料脫落。此外，微帶天線處于一個開放場中，易受外界干擾。本線陣除輻射單元外，其余電路均由鋁板封裝，具備較強的抗電磁干擾能力，實際產品中線陣外圍包有0．5 mm厚的玻璃布，具有三防功效，由此略去了以往相控陣天線研制中所使用的大天線罩，實現天線輕型化的同時，使拆裝方便，提高了產品的可維護性。

通過矢量網絡分析儀對本設計的行饋天線產品進行駐波比測試，如圖7所示。在工作頻帶((fH－fL)/f0=18%)內，端口1和端口2的駐波均小于1．5。

圖7 線陣輸入端口駐波曲線

在線陣兩輸入端口上接一個等幅同相的一分二功分器對天線進行方向圖測試，實測結果如圖8所示。圖8中給出了在工作頻帶內，每頻率點間隔100 MHz所測得的E面方向圖，可看出在頻帶內線陣的副瓣電平均小于－27 dB，其中低、中和高3個頻點的3 dB半功率波瓣寬度分別約為3．5°、3．34°和3．17°，方向圖副瓣電平分別為 －28．5 dB、－27．6 dB和－29 dB。

圖8 線陣在不同頻點上的測試方向圖

5 結束語

本文設計的26單元C波段線陣在相對帶寬18%內輸入駐波小于1．5，重點是對天線和饋電網絡進行一體化設計進行了研究，通過理論分析和實驗比較，獲得了實測副瓣電平小于－27 dB的低副瓣特性。該線陣采用準空氣帶狀線形式，較以往的微帶結構形式，具有輕型化、高可靠性和更強的抗干擾性特點。整條線陣采用了模塊化的設計思路，結構緊湊，且不需要外加天線罩，便于拆裝，提高了天線的可維護性，目前該線陣已成功研制并使用于相控陣雷達天線。

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