高集成層積陣列天線設計

劉小飛，郭永志，郭先松，孫 磊

(1.南京電子技術研究所，南京 210039;2.天線與微波技術國防重點實驗室，南京 210039)

(3.中國船舶重工集團公司第七二四研究所，南京 211153)

0 引言

由于機載平臺、星載平臺以及臨近空間平臺限定配給能量、限定搭載重量、擔負更多功能、對抗更惡劣環境的固有特征，對雷達的重量、體積要求非常苛刻。隨著高集成相控陣天線技術的不斷發展，天線的架構拓展延伸，通過高密度芯片級、模塊級、組件級的三維融合積層，不斷提高集成化程度，天線的架構體系逐步過渡到開放式、模塊化方向。

因此，在高性能、高密度以及多功能等一系列約束條件下，相控陣天線面臨著革命性的變化要求:不僅技術上要朝著數字化和綜合化發展，同時，在產品結構及組成上也朝著集成化、輕型化和規模化方向演變。當前，三維積層組裝技術的高密度高集成相控陣天線正適應于天線領域的這一發展需求，其在電子裝備和系統中的地位將得到進一步強化，未來在機載、星載及空天載各型平臺上都將大有用武之地。

國外在現代三維高集成天線技術的研究起步較早，在平面相控陣天線、簡單共形相控陣天線的基礎上[1-2]，依托機載、星載、臨近空間太陽能無人機載和艇載平臺的發展和需求，在天線技術方面由點到面，由器件、部件到鏈路和系統，相應的研發攻關工作已邁過初級階段，向原理樣機階段邁進，技術積累仍在不斷完善。近幾年來，國內對機載、臨近空間艇載、太陽能無人機載及星載領域也投入了大量的資源進行全方位的研究與探索。與國外的關注重點相同，國內對高集成天線陣列的研究也已開始，已開展部分器件級或模塊級的研究工作。

本文首先介紹該方向的應用背景和發展趨勢;第1節介紹所提出的有源陣列天線單元的物理模型;第2節針對該單元形式進行了性能分析和陣列設計;第3節所描述的測試結果展示了層積天線的工程可應用性;第4節指出層積高集成天線陣列的應用特點。

1 模型描述

本文所提出的天線單元為多層結構，共八層，如圖1所示，每層(自下而上)的參數和特征如下:

第一層厚度為L1，介電常數為ε1，第一層的底部，即單元底部除饋電位置完整覆銅;

第二層厚度為L2，介電常數為ε2，該層實現垂直連接到平面傳輸的轉換，同時實現帶狀線到微帶線的轉換;

第三層為縫隙饋電層，縫隙采用工字型縫隙，提高寬帶性能，其厚度為L3，介電常數為ε3，材料可選亞龍AD系列;

第四層厚度為第一層覆銅貼片層，其厚度為L4，介電常數為ε4;

第五層為硬泡沫層，其厚度為L5，介電常數為ε5，ε5≤1.1;

第六層為第二層覆銅貼片層，厚度為L6，介電常數為ε6，材料可選相對低介電常數的印制板;

第七層為硬泡沫層，其厚度為L7，介電常數為ε7;

第八層厚度為L8，介電常數為ε8，其功能是作為寬角阻抗匹配層，簡稱為 WAIM層，加載了WAIM層可以拓展天線的掃描帶寬，可選中等介電常數的材料。

圖1 層積輻射單元三維模型圖

各層之間的覆銅圖形如圖2所示，覆銅在介質板上實現，所有過孔為金屬過孔，但對于單元整體而言，金屬過孔為盲孔，加工制造過程中采用多層壓合，部分過孔對于局部多層為通孔。饋電部分采用垂直互聯實現，在第一層的垂直連接處裝SMP接頭實現饋電，轉接頭采用SMP連接器。

圖2 層積輻射單元分層結構圖

圖3為天線單元的俯視圖。從俯視圖中可以看出天線的整體覆銅圖形結構。天線單元的尺寸定義如下:單元長為Dy，寬為Dx，第二層的帶狀線微帶線轉換位置為Dyo，過孔直徑為v1和v2，垂直連接的饋線寬度為f1，并聯轉換后的寬度為f2，微帶線寬度為f3，工字型縫隙耦合的寬度為s1，高度為s2，臂長為s3，第一層貼片的邊長為pl1，倒角后的邊長為pl2，第二層貼片的邊長為ps1，倒角后的邊長為ps2。

圖3 層積輻射單元二維結構圖

單元設計所使用的頻率為寬帶內中頻，中頻所對應的波長為λc。天線相關參數與各介質層的介電常數見表1、表2。

表1 天線的電尺寸

表2 各介質層的介電常數

從表中可以看出，天線單元的總高度為

可見，單元剖面總高度遠小于槽線單元實現的單元高度，而寬角阻抗匹配層的厚度也比較小，地板與基片之間的距離接近1/4個波長，接近理論值。從天線單元的電尺寸上可以看出已經實現了寬帶天線單元的小型化。

2 性能分析和陣列設計

傳統貼片天線由一塊介質基片、位于介質基片上的金屬貼片和金屬地平面三部分構成。其輻射是由貼片邊緣與金屬地平面之間的等效窄縫形成的，由于沿傳輸線方向相距半個線上波長的兩縫上電場等幅反向，因而，對應的面磁流等幅同向，根據二元陣的理論，其輻射場在貼片的法線方向呈最大值。這樣的輻射機理決定了其頻帶狹窄的固有缺點，研究人員和工程師一直在探尋拓寬頻帶的途徑[3-6]。歸納起來，目前貼片天線的寬頻帶技術大致可以有三類:1)采用低介電常數厚基板;2)采用多諧振模式，而實現多諧振模式的方法可對貼片進行開槽設計、多貼片寄生設計或者多層貼片設計;3)改進常規的饋電方式，例如:附加阻抗匹配網絡、電磁耦合饋電、孔徑耦合饋電、L形或者折疊形探針饋電等[7-9]。

本文綜合采用以上多種擴展帶寬的方式，大幅提高帶寬。利用全波仿真軟件對當前參數的輻射單元進行優化設計，在周期環境下，分別從掃描駐波、方向圖特性、交叉極化、輻射效率等方面進行評估。層積一體化單元的掃描駐波如圖4所示。

圖4 有源駐波

可以看出在寬帶頻率內，掃描角在0°～45°范圍(間隔為15°)內，VSWR均小于2.4。圖5給出了天線單元的方向圖與交叉極化。

圖5 主極化和交叉極化方向圖

由天線單元方向圖可以看出，波瓣寬度很寬，天線的交叉極化均小于-25 dB。

如圖6所示，在不計單元駐波損耗的情況下，其效率可達到96%以上。針對上述單元性能，對之進行陣列設計。本文按照三角形排布方式組陣，如圖7所示。

圖6 單元效率(不計單元駐波損耗)

圖7 陣列形式

采用電磁仿真軟件對該8×8陣列進行仿真優化，獲得優先陣列條件下陣中單元和陣列方向圖特性，如圖8、圖9所示。

圖8 有限陣列單元特性

圖9 有限陣列典型方向圖(fc)

由圖可見，所設計的低剖面層積單元具有良好的寬帶輻射特性，能夠在小單元間距條件下獲得理想的寬帶寬角阻抗特性，單元方向圖滿足天線掃描范圍;駐波在工作頻帶內小于2.5;輻射單元為層疊結構，采用垂直互聯耦合，容易實現同軸饋電，并易于與后端網絡集成設計，為陣面剖面進一步降低創造有利條件;同時，該種天線易于加工，印制板加工工藝能夠實現理想的誤差控制，加工精度要求小于線尺寸的1%。

3 測試結果

針對上述的陣列規模，我們進行了試驗件的研制和測試評估，陣列樣件如圖10所示。

圖10 實驗陣列樣件

典型陣中單元的駐波特性如圖11所示，在E面掃描±45°條件下，整個相應帶寬范圍(40%帶寬)內，有源駐波小于2。而在H面掃描±45°條件下，帶內有源駐波小于3，與仿真結果基本吻合。從而驗證了多諧振模式拓展相控陣頻帶技術方案和途徑的可行性。

圖11 樣件陣中單元掃描駐波

4 結束語

本文通過理論仿真與原理性實驗研究證實了基于多諧振模式的低剖面超寬帶層積陣列天線具有超寬頻帶特性，驗證了多諧振模式拓展相控陣頻帶技術方案和途徑的可行性;制作了8×8單元的平面層積超寬帶陣列天線實驗樣件，通過實驗測試證實了這種超寬帶陣列具有40%的工作頻段、±45°的大掃描范圍等突出優點。

結合工程實踐，該類陣列天線可以運用于機載、星載、臨近空間太陽能無人機載和艇載等平臺，其層積、低剖、輕量特性正適應于該類平臺領域的天線發展需求。

[1]Waterhouse R B.Design and performance of large phased arrays of aperture stacked patches[J].IEEE Transactions on Antennas and Propagation，2001，49(2):292-297.

[2]Xiao S Q，Shao Z H，Wang B Z，et al.Design of low-profile microstrip antenna with enhanced bandwidth and reduced size[J].IEEE Transactions on Antennas and Propagation，2006，54(5):1594-1599.

[3]Kaya A，Yuksel E Y.Investigation of a compensated rectangular microstrip antenna with negative capacitor and negative inductor for bandwidth enhancement[J].IEEE Transactions on Antennas and Propogation，2007，55(5):1275-1282.

[4]Au T M，Luk K M.Effect of parasitic element on the characteristics of microstrip antenna[J].IEEE Transactions on Antennas and Propogtaion，1991，39(8):1247-1251.

[5]Lai H W，Luk K M .Wideband patch antenna with low cross-polarization[J].Electronics Letters，2004，40(3):159-160.

[6]Kizimenko V .New broadband microstrip antenna design[C]//2011 VIII International Conference on Antenna Theory and Techniques.Kyiv:IEEE Press，2011:153-155.

[7]Wu W W，Yin J X，Yuan N C.Design of an efficient xband waveguide-fed microstrip patch array[J].IEEE Transactions on Antennas and Propagation，2007，55(7):1933-1939.

[8]Yun W S，Yoon Y J.A wide-band aperture coupled microstrip array antenna using inverted feeding structures[J].IEEE Transactions on Antennas and Propagation，2005，53(2):861-862.

[9]Chen Z N，Chia M Y W.Broadband planar antennas:design and applications[M].NewYork:John Wiley＆ Sons Ltd，2005.