X波段寬帶寬角掃描相控陣天線的設計

鄭 貴，王 建，司海峰，劉華濤，馬世娟

(電子科技大學 電子工程學院， 成都 611731)

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·天饋伺系統·

X波段寬帶寬角掃描相控陣天線的設計

鄭 貴，王 建，司海峰，劉華濤，馬世娟

(電子科技大學 電子工程學院， 成都 611731)

設計了一種X波段寬帶寬角掃描相控陣雷達系統的小型陣列天線，該天線采用Vivaldi天線做為陣列單元。在考慮陣列單元間的互耦效應下，仿真設計了9×9小型陣列天線，使該陣列天線在相對帶寬達40%下的有源駐波系數小于2，其有源單元方向圖E面、H面的波瓣寬度分別達到120°、110°以上。對9×9天線陣的實物進行了加工與測試，測試結果說明了該陣列天線具有良好的寬帶寬角掃描特性。因該天線結構簡單，重量輕，在相控陣雷達天線中有很大的應用價值。

X波段；相控陣天線；寬帶寬角掃描

0 引 言

相控陣天線廣泛應用在通信、雷達、電子對抗等領域中，隨著近年來相控陣雷達天線的快速發展，相控陣天線不僅要有寬頻帶性能，還應滿足大空域寬角掃描的特點，寬帶寬角掃描相控陣天線設計已是當今相控陣天線重要的發展趨勢。

文獻[1]提出了一種使用多層貼片天線設計的C-X波段寬帶寬角掃描天線，在E面、H面的掃描范圍分別為±45°、±60°；文獻[2]設計了一種以Vivaldi天線為陣列單元的X波段寬帶寬角掃描相控陣的單元天線，其E面、H面3 dB波瓣寬度達到90°、120°；文獻[3]則介紹了一種介質切口、帶狀線Vivaldi陣列天線，研究了169單元陣列中的天線單元特性，在8 GHz～12 GHz的工作頻帶內，其8 GHz～10 GHz頻帶內的波瓣寬度大于100°。

本文針對X波段相控陣天線系統，設計了一種Vivildi天線為陣列單元的改進型天線陣，其阻抗相對帶寬達到40%，其有源單元方向圖E面、H面的波瓣寬度分別達到120°、110°以上，其輻射特性和有源反射系數特性E面、H面掃描角度分別達到±60°、±55°。

1 結構設計

1.1 單元天線

對于寬帶寬角掃描陣列天線的研究是一個熱門難點問題，其中，關鍵之一就是陣列單元的選取。根據寬帶寬角相控陣天線的技術要求，天線陣元需選取阻抗頻帶寬，方向圖波瓣寬度大的天線單元。

Vivaldi天線是由Gibson于1979年提出的一種按曲線漸變的開槽天線，理論上擁有極大的阻抗頻帶，非常適合做為相控陣天線的輻射單元[4]。這里我們采用帶狀線-槽線的饋電結構來設計Vivaldi單元天線，天線結構由兩層介質層構成，饋電線位于兩介質層之間，介質板兩側則為指數漸變的輻射槽縫，介質基板選用了Taconic-TLX介質板，相對介電常數為2.55、厚度為0.5 mm，如圖1所示。

圖1 單元Vivaldi天線模型

仿真優化Vivaldi單元天線模型，天線各部分尺寸的優化參數由表1給出，使得其E面、H面方向圖擁有足夠寬的波瓣寬度，圖中的指數曲線方程為

y=C1epx+C2

其中，

表1 模型參數

1.2 陣列設計

小型陣列天線設計是實現大型陣列與相控陣雷達天線的必要過程。小型陣列分析主要包括陣列單元間互耦影響下中心單元的輻射特性與有源反射系數特性。因為單元間距離越遠互耦效應越小，所以，陣列邊緣的單元天線對中心單元影響很小。通常，設計中心單元距離陣列邊緣2-3個波長的小型陣列即可模擬大型陣列天線的性能特性。

相控陣天線設計中，要求波束掃描過程中不能出現柵瓣，而具有相同天線口徑時三角形排列形式相較于矩形排列，其陣列單元數量更少，可有效地減少天線成本[5]。因此，我們以Vivaldi天線作為陣列單元，采用三角排列形式設計了一個9×9陣列天線。根據陣列掃描時柵瓣抑制條件，選擇天線陣列的行間距、列間距分別為dx=12 mm、dy=13.5 mm，則陣列口徑直徑達到5個波長。

為使天線陣列具有更好的寬角掃描特性，與常規Vivaldi天線陣相比，該天線陣有以下幾點改進：

(1) 在天線陣口徑面上方覆蓋一層厚度為3 mm、εr=2.2的聚四氟乙烯介質板，利用寬角掃描匹配介質原理有效增加了天線陣的有源單元方向圖H面的波瓣寬度，再對上端覆蓋的介質板進行等距離分割(w=8 mm,dE=13.5 mm)，可有效地提高E面波瓣寬度[6]；

(2) 為減少單元天線間互耦影響，對各單元天線兩側進行去方形邊槽(1.5 mm×6 mm)，基于缺陷地結構形成了類似對稱陣子結構，有效展寬了有源單元方向圖E面波瓣寬度；

(3) 在各行陣列單元間，添加高度3 mm的無源陣子以實現有源單元方向圖的波束展寬[7]。

(4) 在天線陣列下方覆蓋一層εr=1.1，厚度為2.5 mm的硬質泡沫，起固定陣列單元作用，最終的天線陣模型如圖2所示。

圖2 9×9天線模型側視圖

2 陣列仿真結果

2.1 遠場方向圖

通過三維仿真軟件HFSS仿真得陣列中心單元的有源單元方向圖，如圖3所示；陣列全單元激勵時中心頻率f0不掃描和掃描60°的方向圖，如圖4所示；陣列單元全激勵時波束不掃描的中心單元有源駐波系數仿真結果如圖5所示。

圖3 中心單元的有源單元方向圖

圖4 中心頻率f0下陣列天線掃描方向圖

圖5 陣列單元全激勵中心單元有源駐波系數

表2給出了在頻率fL、f0、fH下中心單元的有源單元方向圖E面、H面的波瓣寬度，其E面波瓣寬度均大于120°，而H面也大于110°；其中，fL=(1-0.2)f0、f0、fH=(1+0.2)f0分別表示在X波段內的低頻、中頻和高頻。

表2 中心單元激勵下單元方向圖波瓣寬度

全單元激勵時，在中心頻率f0下天線波束分別在E面、H面掃描至60°時的遠場方向圖均未出現柵瓣，而天線陣不掃描時中心單元有源駐波則小于1.62。陣列單元波瓣寬度越寬，陣列波束掃描時增益下降越緩慢，越有利于增加天線掃描角度。

2.2 S參數計算結果

陣列分析中，已知S參數根據式(1)可計算得陣列單元的有源反射系數隨天線掃描角的變化，進而得到天線掃描增益損耗隨掃描角的變化，用以模擬天線陣列掃描時的有源反射系數特性與輻射特性[8]。根據圖2中的坐標系，天線陣列的E面、H面分別為yoz面(φ=90°)、xoz面(φ0=0)，θ0、φ0分別為天線的掃描角度。

陣列中第i個單元天線的有源反射系數Ri(θ0,φ0)可由陣列各單元的S參數和位置向量計算而來，其表達式為

(1)

其中，

aj=|aj|exp[-j(xjkx+yjky)]

kx=k0sinθ0cosφ0

ky=k0sinθ0sinφ0

式中：(xj,yj)為第j個單元天線的坐標位置；aj為天線單元的位置向量；k0=2π/λ為自由空間傳播常數；N為陣列天線單元總數。

使用HFSS仿真得陣列各單元端口與中心單元的S參數，計算出中心單元的有源反射系數隨E面、H面掃描角度變化曲線，如圖6所示?？梢钥闯?，在fL～fH頻帶內天線在E面掃描至±60°時，中心單元的有源反射系數小于0.35。而H面掃描至 時，其中心單元的有源反射系數基本小于0.35。

駐波系數與反射系數關系式為

(2)

計算出天線陣列不掃描時其中心單元的有源駐波系數隨頻率的變化，有源駐波系數計算結果與HFSS仿真結果吻合一致。

圖6 天線的有源反射系數特性

而陣列增益隨掃描角方向的損耗與有源反射系數相關，增益損耗表示為

(3)

圖7a)、7b)分別給出了天線增益掃描損耗隨E面、H面掃描角度變化曲線?？梢钥闯鲈趂L～fH頻帶內陣列天線在E面、H面進行±60°掃描時，其增益損耗均小于4 dB。

圖7 天線的輻射特性

總結以上仿真結果，在相對帶寬40%下，其有源單元方向圖E面、H面的波瓣寬度分別達到120°、110°以上，其輻射特性和有源反射系數特性E面、H面掃描角度分別達到±60°、±55°，說明了該陣列天線擁有良好的寬帶寬角掃描特性。

3 加工與測試

3.1 天線加工

加工得9×9天線陣列實物樣件如圖8所示。我們在用以固定陣列單元的天線底座上覆蓋了吸波材料來減少天線底座的反射影響，并在各天線單元下端延長了天線的饋電帶狀線與SMA接頭相連。各天線端口連接上匹配負載后，在微波暗室內測得天線陣的中心單元的有源單元方向圖。

圖8 天線加工與測試

3.2 遠場方向圖實測

圖9分別給出了9×9天線陣列在頻率fL、f0、fH下中心單元激勵的E面、H面有源單元實測歸一化方向圖。

圖9 天線實測中心單元的有源單元方向圖

表3給出了圖9中在頻率fL、f0、fH下中心單元的有源單元方向圖E面、H面的波瓣寬度。該天線陣列在相對帶寬40%下，有源單元方向圖E面波瓣寬度均大于110°，H面則大于100°。

表3 天線實測方向圖波瓣寬度

3.3 S參數實測

使用矢量網絡分析儀實測得各天線端口與中心端口的S參數，同樣計算得中心單元的有源反射系數隨天線掃描角度的變化曲線如圖10所示；天線增益損耗隨天線掃描角度的變化曲線如圖11所示；陣列單元全激勵時波束不掃描的中心單元有源駐波系數實測計算結果如圖12所示。

圖10 實測天線的有源反射系數特性

從以上實測結果來看，該陣列天線在相對帶寬40%的頻帶寬度下，中心單元的有源單元方向圖E面、H面的波瓣寬度分別達到110°、100°以上。除中心頻率f0時有源反射系數小于0.35的H面掃描范圍為±45°，而E面及H面其他頻點的掃描范圍基本滿足±60°。當天線在E面、H面進行±60°掃描時，其增益損耗均小于4 dB。而全激勵時中心單元不掃描時的有源駐波系數小于1.8。

實測結果與仿真結果相比較可知，陣列天線的有源單元方向圖波瓣寬度略有變窄，中心頻點f0的H面掃描角度略有減小。我們分析這可能是天線底座的影響、天線焊接差異和實測誤差等原因造成的。不過仍然可以判斷，該天線陣列具有良好的寬帶寬角掃描特性。

圖11 實測天線的輻射特性

圖12 中心單元實測的有源駐波系數

4 結束語

本文提出了一種工作在X波段內的寬帶寬角掃描相控陣雷達天線。從仿真和實測結果來分析，該陣列天線均具有良好的寬帶寬角掃描特性，其相對帶寬達到40%，有源反射系數特性和輻射特性E面、H面掃描范圍基本達到±60°、±55°。對于相控陣雷達天線系統的開發，具有很大的應用前景。

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[3] 徐 志. 寬帶寬角有源相控陣天線單元研究[D]. 西安: 西安電子科技大學, 2008. Xu Zhi. Antenna element research of wide-band and wide-angle active electronically scanned array[D]. Xi′an：Xidian University, 2008.

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鄭 貴 男，1991年生，碩士研究生。研究方向為天線理論與設計。

王 建 男，1956年生，教授。研究方向為天線理論與設計，計算電磁學。

司海峰 男，1989年生，碩士研究生。研究方向為天線理論與設計。

劉華濤 男，1991年生，碩士研究生。研究方向為天線理論與設計。

馬世娟 女，1989年生，碩士研究生。研究方向為天線理論與設計。

Design of X-band Wide-angle Scanning Phased Array Atenna

ZHENG Gui，WANG Jian，SI Haifeng，LIU Huatao， MA Shijuan

(School of Electronic Engineering,University of Electronic Science and Technology of China, Chengdu 611731, China)

An X-band wide-band wide-angle scanning phased array radar antenna is designed, and Vivaldi antenna is used as the element of the array . Considering the mutual coupling effect between array units, 9×9 array is simulated and analyzed. Working in a bandwidth of 40%, active VSWR of the array is less than 2, and satisfies a symmetric pattern with 3 dB beam width better than 120° and 110° in the E-plane and H-plane, respectively. A 9×9 array antenna is fabricated and measured, the test result shows that the antenna array has a good characteristic of wide-band wide-angle scanning. Because of the simple structure and light weight, the array has a great application value in phased array.

X-band; phased array antenna; wide-band wide-angle scanning

10.16592/ j.cnki.1004-7859.2015.10.012

鄭貴 Email：zgisi2017@163.com

2015-06-12

2015-09-15

TN82

A

1004-7859(2015)10-0046-05