一種通用的寬帶金屬相控陣天線單元研究

張聞濤 袁建濤 張天水

(中國空空導彈研究院 河南 洛陽 471009)

0 引言

相控陣天線以其波束靈活、可實現無慣性掃描、可靠性高等諸多優點近年來逐漸成為研究的熱點，在雷達、通信等領域得到了廣泛的應用[1]。

相控陣單元的特性對陣列性能具有至關重要的影響，單元間距決定了相控陣天線的掃描范圍，單元增益可以有效地提高陣列增益，從而影響系統的探測距離與威力；而單元的匹配及耦合特性則決定了陣列的寬角度空域掃描能力; 此外，具體安裝及應用環境決定了單元的結構特性，因此，研制寬頻帶、小型化、低剖面、易集成低成本特性的天線單元將成為構建通用化寬帶相控陣天線的一個很重要的組成部分[2]。

常見的相控陣單元形式多種多樣，例如微帶貼片天線、Vivaldi天線、振子型天線、準八木天線、矩形波導天線等[3]，其中微帶天線以其重量較輕的優勢應用最為廣泛[4]，但也存在一些問題，如結構脆弱、介質板易斷、交叉極化較高，效率較低等缺點，多用在要求不高的場合[5]。本文根據相控陣通用平臺研制的要求，設計了一種波束可調的寬帶金屬相控陣天線單元， 與其它相控陣天線單元相比較，金屬陣子天線單元具有較低的交叉極化、較高的效率、較高的強度、可方便加工等優點，并且加工成本較低，一致性較好，可作為寬帶通用相控陣天線單元。

1 單元設計

微帶形式的振子天線發展較為成熟，已被廣泛地使用。由于微帶振子的介質板材相對金屬較軟，在使用的過程中極易發生磕碰，從而損壞單元，其次微帶振子的交叉極化較大，限制了其應用范圍[6]，因此，本文設計了一種金屬對稱振子，選擇了同軸饋電的方式，這樣使得陣子與饋電的同軸結構可實現一體化加工，既增加了強度又實現了很低交叉極化，提高了天線的效率。

天線由50Ω的同軸饋電線、扁平狀的雙臂對稱振子、寬帶的板狀巴倫、及接地板組成。通常振子的長度為四分之一波長，考慮中間到饋電的間隙以及組成陣列后，相鄰振子的結構可能會發生干涉，相控陣單元在大掃描角(±60°)設計時，其尺寸一般約為0.5λ，兩端的振子臂長相加應小于半個波長，本文設計的振子臂長為0.24λ。振子臂長與天線的匹配密切相關，振子臂長有利于性能的匹配，但會帶來結構的干涉，增大天線間的耦合，采用較短的陣子臂，會增加匹配的難度，本文采用了巴倫與振子一起仿真優化的思路，來滿足寬帶匹配的要求，同時巴倫也作為支撐振子的一個結構件，后期可方便的加工和焊接。為了抑制振子的雙向輻射，通常都在振子的下方增加金屬反射板，反射板距離振子的高度為λ/4[7]，反射之后以此達到與輻射波同相疊加的目的，增強天線的方向性，提高天線的增益，單元結構如圖1所示。

圖1 金屬半波振子結構示意圖

對于相控陣天線而言，單元的波束寬度基本決定了掃描角的大小，不同的應用場合對掃描角要求不同，當追求大的掃描角時，天線單元尺寸一般會比較小，從而產生所需的較寬的波束，掃描時增益不至于下降太快，但當天線波束較寬時，此時增益相對會比較低[8]，當掃描角比較小時，此時需要較窄的波束和相對較高的增益，為了兼顧不同應用場合下的對波束寬度的不同要求，提出了采用接地板上下移動的方法，改變波束寬度。該單元的優點是在保證單元結構以及饋電結構不變的情況下，通過改變接地板與陣子臂間的高度較為容易地實現了不同場合下對波束寬度的不同需求，而無需重新加工或設計新的單元，接地板可在一個較寬的高度內移動，寬帶巴倫饋電結構基本不受接地板高度的影響，對天線的駐波影響很小，在一個較寬的頻帶內都能滿足匹配的要求。

半波振子的沿線電流近似于正弦分布[9]：

I=IMsin[k(l-|z|)]

(1)

其中IM為電流駐波的波腹電流，即電流的最大值，利用疊加原理可計算出半波振子的遠區場為：

(2)

2 寬帶巴倫設計

同軸饋電結構是一種非平衡的傳輸線，而對稱陣子是一種平衡結構，為了實現不平衡到平衡的轉換，本文采用了巴倫結構來完成轉換功能。巴倫類型很多,典型的有U型管變換器、λ/4金屬扼流套變換器、串聯諧振變換器等。但這些巴倫的工作頻帶都較窄,不能滿足寬帶特性的要求。而另一類傳輸線巴倫,雖然帶很寬,但在高頻應用中,由于材料的限制,難以承受很大的功率。縫隙式巴倫性能優良，結構緊湊，應用較廣，槽長為λ/4，負載Zab=4Z0，這種平衡器的帶寬為1.1∶1，帶寬較窄，為克服這些缺點,本文在縫隙式巴倫的基礎上采用了板狀巴倫結構,如圖2所示，本質是將縫隙進一步加寬加大，其中w為板線之間的寬度，d為同軸線內導體直徑，通過調節w和d可明顯的增加巴倫的帶寬，帶寬可達到2∶1[10]，滿足實際使用要求，阻抗與尺寸線的關系為：

(3)

圖2 板狀巴倫結構

3 仿真結果

本文設計的波束可調的寬帶金屬相控陣天線單元中心頻點方向如圖3所示，天線增益約為5dB，兩個面的交叉極化均小于-30dB，調節地板距離振子的高度h，主平面的波束寬度可在50°至130°范圍內變化，能夠適應大多數相控陣平臺的的使用，增益變化范圍約為2～7dB。在兩個極限位置處，天線的增益由于不滿足同相疊加的要求，天線增益有所降低，圖4給出了各個位置的主平面方向圖，方向圖良好無畸變。

采用基于對稱邊界求解有源駐波的方法，單元間距選定為0.52λ，經仿真優化后中心頻點的有源駐波在0°到60°掃描角內駐波小于2，匹配良好，在全頻帶上選取有源駐波較大的90°剖面(H面)，仿真結果表明駐波較差的低頻有源駐波從0°到60°掃描角內駐波小于2.6，無掃描盲點，大角度駐波滿足要求，無源駐波在整個帶寬內小于2，具有較好的寬帶特性，達到了通用化、寬帶化的設計要求。

圖3 中心頻點f0主平面方向圖

圖4 中心頻點下反射板處在極限位置的主平面方向圖

圖5 隨接地板h增益的變化量曲線

圖6 帶寬內無源駐波曲線

圖7 中心頻點f0有源駐波曲線

圖8 全頻帶內90°剖面有源駐波曲線

4 結束語

本文利用寬帶板狀巴倫結構設計了一種寬帶金屬的對稱振子相控陣單元天線，天線和饋電巴倫一體化加工，加工簡單，結構強度較高。調節接地板與振子之間的距離來調整天線的波束寬度和增益，如圖5所示，使得該振子天線在不更改結構的情況下拓展了天線的應用范圍，節省了設計成本，具有較強的相控陣平臺通用性。如圖6～圖8所示，設計的金屬振子天線在15%帶寬內有源駐波小于2.6，無源駐波小于2，天線的波束寬度可在50°至130°范圍內變化，能夠適應大多數相控陣平臺的的使用，仿真增益變化范圍約為2～7dB，實現了寬帶通用化的天線設計要求。