一種空氣同軸饋電的X波段低副瓣陣列天線

宋長宏 吳群

(1.中國電子科技集團公司第五十四研究所,石家莊 050081;2.哈爾濱工業大學電子信息工程學院,哈爾濱 150001)

?

一種空氣同軸饋電的X波段低副瓣陣列天線

宋長宏1吳群2

(1.中國電子科技集團公司第五十四研究所,石家莊 050081;2.哈爾濱工業大學電子信息工程學院,哈爾濱 150001)

設計了一種應用于雷達系統中的低成本低副瓣陣列天線,該天線陣包含256個輻射單元,由四個64單元的子陣組成,采用波導合成網絡進行功率合成. 天線單元采用空氣同軸饋電的角錐喇叭,空氣同軸饋線內外導體呈方型結構,其終端為短路饋電方式,實現了內導體的自支撐設計和較低的傳輸損耗,并依據綜合幅度分布采用若干數量的不等功分器進行低副瓣設計. 測試結果表明,小于2的駐波帶寬為0.5 GHz,相對帶寬為7.5%. 另外,中心頻率的增益為30 dB,增益大于29.5 dB的帶寬為0.2 GHz,E面和H面的旁瓣電平為28.5 dB和29 dB.

雷達應用;角錐喇叭;空氣同軸線;低旁瓣

DOI 10.13443/j.cjors.2015072801

引 言

雷達系統中要求天線具有高增益、低副瓣的性能指標,盡管采用反射面天線、透鏡天線可以滿足上述要求,但由于此種天線需要一定的焦距空間,因此旋轉半徑較大,不利于天線收藏. 采用平面陣列天線可以解決反射面天線存在的這一問題. 平面陣列天線主要有微帶天線和波導天線兩種形式,微帶天線的缺點是輻射效率低、饋電損耗大、功率容量低,并不適用于需要高增益天線的雷達系統. 波導縫隙陣是實現低副瓣、高增益比較理想的平面陣列天線形式,通常波導縫隙陣的副瓣可以實現-25～-35 dB[1-2], 由于縫隙陣為串饋形式,對于波導終端接匹配負載的行波陣來說,方向圖會有頻掃現象[3-5],對于終端開路或短路的駐波陣來說方向圖帶寬較窄,當縫隙數量較多時,幾乎為點頻工作,并增加了天線加工難度、復雜度. 波導縫隙陣的加工工藝往往借助于高精度的焊接技術,一方面在焊接過程中天線容易變形,不同程度地會影響到天線陣列的電氣性能,另一方面該加工工藝成本過高.

本文提出了一種新型低副瓣平面陣列天線形式,輻射單元為光壁角錐喇叭,采用終端短路的饋電形式實現饋電網絡自支撐設計,空氣介質填充的方型同軸網絡損耗低,可實現任意功率分配,達到天線口徑的幅度加權分布,實現低副瓣設計. 此種天線形式與傳統的波導縫隙陣列天線[1-3]比較,喇叭口輻射單元的增益高于輻射縫隙單元增益,這樣在單元數相同的情況下,可獲得較高的陣列口徑增益,且無需焊接工藝,大大降低了天線加工成本.

1 天線單元設計

1.1 天線單元結構

天線單元外形結構如圖1所示,此種角錐喇叭可以分為三個部分:從上到下依次是,角錐喇叭、波導阻抗變換段和波導同軸轉換. 角錐喇叭為光臂結構,喇叭口為方形結構,喇叭口寬為W1,高度為L1. 光臂喇叭的特點是可實現高增益輻射、極化純度高、結構可靠性好、成本低.

圖1 天線單元結構

在扁波導和同軸之間加入了一段阻抗變換段,變換段主要調諧參數是W5和L4,變換段的作用是使同軸和波導之間達到良好匹配.

天線單元的饋電部分為波導同軸轉換,為使功率合成網絡增加走線空間,采用扁波導形式. 饋入扁波導內的探針為方型同軸結構,區別于傳統同軸線內外導體為圓形結構,采用方形結構更適合機械加工,填充介質為空氣可獲得較低的傳輸損耗.

1.2 天線單元輻射特性

角錐喇叭輻射口徑為W1和喇叭高度L1決定了喇叭的增益與輻射方向圖的波束寬度,其中喇叭口徑尺寸決定了單元組陣的間距,考慮在陣列輻射方向圖不出現柵瓣的前提下盡可能地提高喇叭的輻射口徑尺寸. 天線工作在X波段9.3～9.5 GHz,以這樣確定喇叭口徑尺寸W1=28 mm,以增益最大為目標,優化喇叭高度變量L1,當L1=22 mm時,喇叭單元增益為最佳,此時對應喇叭口徑效率為90%,基本接近于角錐喇叭的最佳口徑效率.

1.3 天線單元匹配特性

1)云南電力市場尚不完善，受到多重因素制約。目前云南電力市場建設的重點在于如何消納富余水電，市場當前平衡不同機組之間上網電價差異大的方式主要通過政府分配，月度撮合交易沒有采取統一出清的方式，且現貨市場建設困難重重。主要表現為：(1)電廠全面虧損；(2)棄水問題嚴重；(3)發電側和用戶側存在一定的行使市場力的可能；(4)能量市場外的其他輔助服務補償機制尚不完善；(5)市場價格不采用統一出清；(6)政府在利益分配中起到重要作用，例如在優先電量分配、在西電東送設置門檻等；(7)由電價低的小水電承擔未放開進入市場用戶的交叉補貼。多方面原因導致電力市場進一步完善受到限制。

如圖2(a)所示為波導同軸轉換,其中橘色方型結構為同軸內導體,淺藍色為空氣腔體,淺黃色為金屬外壁結構,考慮扁波導加工的可實現性,取波導窄邊寬度為3 mm.

(a) 波導同軸轉換三維結構

(b) 方型同軸模型圖2 波導同軸轉換

饋入扁波導內的探針為方型同軸結構,如圖2(b)所示,該同軸終端為短路結構. 方型同軸的阻抗可依據式(1)近似計算,為了獲得50 Ω的傳輸線阻抗,取IW=2 mm,QW=5 mm.

(1)

波導同軸轉換為兩端口網絡,分別為同軸入口和扁波導出口,同軸的終端為90°彎頭短路結構,其終端饋接在金屬體(淺黃色實體結構)上,采用此種結構有兩方面的考慮:一方面短路結構可以實現同軸內導體自支撐結構,這樣就無需外加介質支撐;另一方面90°彎頭不占用太多的網絡走線空間.

在扁波導和同軸之間加入了一段阻抗變換段,變換段主要調諧參數是W5和L4,變換段的作用是使同軸和波導之間達到良好匹配,如圖3(a)所示給出了加入阻抗變換段后同軸入口回波損耗得到了明顯的改善,在頻點9.4 GHz回波損耗達到了-40 dB以下.

90°彎頭短路線長度參數B2影響回波損耗諧振位置,如圖3(b)所示,隨著參數B2的不斷變小,同軸入口回波損耗的諧振頻點也隨之升高,當B2=6.6 mm,時諧振頻點是9.4 GHz.

(a) 波導同軸轉換回波損耗

(b) 波導同軸轉換回波損耗隨B2變化

(c) 波導同軸轉換S參數圖3 波導同軸轉換匹配特性

這樣得到了波導同軸轉換的最佳物理尺寸,如圖3(c)給出了波導同軸轉換的S參數曲線,同軸端口和扁波導口的回波損耗在9.3～9.5 GHz的帶寬內小于-25 dB,傳輸損耗為0.1 dB.

波導同軸轉換出口為扁波導,需通過波導阻抗變換段來實現扁波導到標準矩形波導過渡匹配,如圖1中波導阻抗變換段模型所示.

影響波導阻抗變換段匹配效果最主要的兩個參數為L2和W3,如圖4(a)、(b)所示給出了波導端口的回波損耗隨參數L2和W3變化的關系,從仿真結果來看參數L2決定波導變換回波損耗曲線諧振頻點位置,而參數W3則影響著回波損耗諧振頻點的深度. 通過優化仿真計算確定了參數L2=10.5 mm,W3=6 mm,如圖4(c)為阻抗變換段的S參數曲線,可以看到波導兩端口的回波損耗在頻帶9～10 GHz內小于-30 dB,傳輸損耗不大于-0.01 dB.

(a) 回波損耗隨L2變化

(b) 回波損耗隨W3變化

(c) 波導阻抗變換段S參數圖4 波導阻抗變換段匹配特性

2 天線陣列設計

2.1 饋電網絡設計

采用泰勒單參數[6]分布實現天線陣列加權設計,加權旁瓣為-30 dB, 單元間距為28 mm,根據公式(2)可以獲得天線陣列單元的幅度分布,如圖5(a)所示為16元陣列的幅度分布.

(2)

(a) 陣列幅度分布

(b) 帶有調諧釘的功分器模型

(c) S參數調諧

(d) 不等功分器的傳輸圖5 功率分配特性

實現上述的幅度分布需要設計不等功分網絡,不等功分網絡采用T型功分器并饋實現,不等功分器設計,文獻[5]給出了不等功分器的設計原理. 在大功率分配比的不等功分器設計時,需要實現較高特性阻抗(大于100 Ω)的同軸線,由于兩個功率輸出臂內導體的尺寸差異較大,導致根據公式計算得到的物理模型尺寸并不準確,能量入口匹配并不理想. 以天線陣功分網絡最后一級(功分比最大)功分器為例,幅度電壓比為1∶3,依據公式計算可得兩臂的特性阻抗Z1=110.68 Ω,Z2=36.89 Ω,經仿真得到了功分器的S參數曲線,發現能量輸入端口的回波損耗惡化,中心頻點僅為-23 dB. 如圖5(b)所示,為了解決輸入端口匹配的問題在功分主通道上加載一對調諧釘,圖5(c)所示給出了有無調諧釘能量入口的回波損耗曲線變化,可以看到輸入口的匹配得到了明顯的改善,工作帶寬內小于-35 dB,如圖5(d)為大功分比的功率分配結果,可以看到在9.3～9.5 GHz頻帶內實現了電壓3∶1分配.

2.2 陣列輻射特性

基于輻射單元、饋電加權網絡的設計,對16×16陣列在三維電磁場軟件HFSS中進行仿真設計,如果對天線陣進行全波仿真,模型包括256個喇叭,和1分256功分網絡,這樣需要巨大的計算資源. 所以采用軟件提供的周期邊界的近似計算方法[7-9],即只建立單元模型,加載周期邊界,這樣建模考慮了無限大陣列中單元間的互耦影響,如圖6(a)所示為帶有周期邊界的喇叭單元仿真模型,這樣可得到無限大陣中的單元輻射方向圖,并根據陣因子疊加定理得到陣列方向圖,如圖6(b)所示給出了16×16陣列在頻點9.4GHz E面、H面方向圖. 從仿真結果來看,E面、H面方向圖第一副瓣電平帶寬內小于-30 dB,兩個面的波束寬度基本相同.

(a) 周期邊界仿真模型

(b) 頻率為9.4 GHz時輻射方向圖

(c) 16×16陣列加工樣件

(d) 回波損耗

(e) E面方向圖

(f) H面方向圖圖6 陣列電磁特性

2.3 樣件加工與實測

天線陣列尺寸為480 mm×480 mm×45 mm, 采用分層加工方法,數控加工工藝,可以保證加工較高的加工精度,中間網絡層厚度為5 mm,為了減小重力對饋線偏心度的影響,天線陣分為四塊加工,每塊尺寸為240 mm×240 mm×45 mm,采用一分四波導功分器進行合成,如圖6(c)為16×16陣列天線的加工樣件.

如圖6(d)、(e)、(f)所示給出天線的回波損耗和方向圖的測試結果,結果顯示陣列天線的回波損耗小于-10 dB絕對帶寬為0.5 GHz, 相對帶寬為7.5%,陣列回波損耗實測曲線向頻率高端有所偏移,與單元仿真曲線基本吻合,E面旁瓣電平帶寬內小于-28 dB,H面旁瓣電平帶寬內小于-29.5 dB,采用對比法測試天線的增益在0.2 GHz帶寬內天線增益大于30.4 dB,口徑效率大于45%.

3 結 論

文中提出了一種以角錐喇叭作為輻射單元的低副瓣陣列天線,在以喇叭口徑為輻射單元的背景下,討論了單元間距、單元數、加權旁瓣之間的關系. 提出了終端短路的波導同軸轉換饋電方式,實現了饋電網絡的自支撐設計,分析了兩端不連續的波導阻抗變換器,得到了較為理想的結果,實現了輻射單元的良好匹配. 介紹了不等功分器的設計方法,提出加載調諧釘技術措施,解決了大功分比功分器輸入端口匹配惡化難題. 陣列樣件測試結果表明,該天線實現了天線低副瓣設計,為需要低副瓣天線的在雷達系統提供了一種新型平面陣列天線形式.

[1] SEHM T, LEHTO A, RAISANEN A V. A large planar 39-GHz antenna array of waveguide-fed horns[J]. IEEE transactions on antennas propagation, 1998, 46(6): 1189-1193.

[2] 衛杰, 何十全, 廖紹偉. 基片集成波導縫隙稀疏陣天線的設計[J]. 電波科學學報, 2013, 28(6): 1165-1168.

WEI J, HE S Q, LIAO S W. Design and analysis of SIW slot antenna sparse arrays[J]. Chinese journal of radio science, 2013, 28(6): 1165-1168.(in Chinese)

[3] LEVINE E, MALAMUD G, SHTRIKMAN S, et al. A study of microstrip patch array design[J]. IEEE transactions on antennas propagation, 1989, 37(3): 426-434.

[4] HUANG J. A technique for an array to generate circular polarization using linearly polarized elements[J]. IEEE transactions on antennas propagation, 1986, 34(9): 1113-1124.

[5] 張福順, 商遠波, 張濤, 等. 高增益低副瓣圓極化微帶天線陣的研制[J]. 電波科學學報, 2008, 23(3): 572-576.

ZHANG F S, SHANG Y B, ZHANG T, et al. A circular-polarization microstrip array with high-gain and low-side lobe[J]. Chinese journal of radio science, 2008, 23(3): 572-576. (in Chinese)

[6] MAHDI M, MAJID T, KHALAJ-AMIRHOSSEINI M. Planar slotted array antenna fed by single wiggly-ridge waveguide[J]. IEEE antennas wireless propagation letters, 2011, 10: 764-710.

[7] OH S S, LEE J W, SONG M S, et al. Two-layer slotted waveguide antenna array with broad reflection/gain bandwidth at millimeter-wave frequencies[J]. IEE proceedings microwaves, antennas and propagation, 2004, 51(5): 393-398.

[8] WEI-CHI I P, CHENG K K M. A novel unequal power divider design with dual-harmonic rejection and simple structure[J]. IEEE microwave and wireless components letters, 2011, 21(4): 182-185.

[9] 陳鵬, 洪偉, 蒯振起, 等. 低副瓣基片集成波導縫隙陣圓極化天線[J]. 電波科學學報, 2009, 24(3): 440-445.

CHEN P, HONG W, KUAI Z Q, et al. Low side lobe SIW slot array circular polarized antenna[J]. Chinese journal of radio science, 2009, 24(3): 440-445.(in Chinese)

[10] HAN L, WU K. 24-GHz bandwidth-enhanced microstrip array printed on a single-layer electrically-thin substrate for automotive applications[J]. IEEE transactions on antennas and propagation, 2012, 60(5): 2555-2557.

吳群 (1955-),男,黑龍江人,哈爾濱工業大學博士生導師, 教授. 主要研究方向為射頻/微波/毫米波器件與電路、射頻/微波集成電路CAD、天線與電磁兼容性、微波應用系統與測量技術.

A low sidelobe planar X-band antenna array with air coaxial feedline

SONG Changhong1WU Qun2

(1.The 54th Research Institute of CETC, Shijiazhuang 050081, China;2.China Department of Electronic andCommunicationsEngineering,HaerbinInstituteofTechnology,Haerbin150001,China)

A low sidelobe array antenna is investigated to provide a low-cost and effective solution to radar applications. This antenna array consists of 256 radiating elements divided into four subgroups of 64 elements each, and fed by a rectangular waveguide feed network. The feed structure of the proposed radiation element, which is basically a novel air coaxial-fed pyramidal horn array with shorting termination, can be realized by self-supporting feedline network and with low losses. Low sidelobe design is conducted according to the synthesized amplitude distributions with a number of unequal power dividers. The test results show that measured impedance bandwidth for voltage standing wave ratio(VSWR) less than 2 is within 0.5 GHz, with a relative bandwidth of 7.5%; the measured gain is 30 dB at the center frequency, while it is higher than 29.5 dB at a frequency band of 0.2 GHz; the measured sidelobe level is 28 dB in the E-plane and 29.5 dB in the H-plane.

radar application; pyramidal horn; air coaxial feedline; low sidelobe

10.13443/j.cjors.2015072801

2015-07-28

TN821

A

1005-0388(2016)03-0573-07

宋長宏, 吳群. 一種空氣同軸饋電的X波段低副瓣陣列天線[J]. 電波科學學報,2016, 31(3):573-578+596.

SONG C H, WU Q. A low sidelobe planar X-band antenna array with air coaxial feedline[J]. Chinese journal of radio science,2016,31(3):573-578+596.(in Chinese). DOI: 10.13443/j.cjors.2015072801

聯系人： 宋長宏 E-mail: songzanyi2011@126.com