雙頻寬帶毫米波天線的設計及實際應用

戴用

摘 要：毫米波相控陣天線正處于研究起步階段，因其優勢明顯，在軍事民用中有著巨大的開發前景。論文對毫米波相控陣天線采用的幾項關鍵技術的進行闡述和分析，包括多波束形成技術、毫米波T/R組件、提高帶寬以及空間功率合成技術等對關鍵技術。文章對上述關鍵技術的研究現狀進行了介紹，指出了毫米波相控陣天線關鍵技術的發展趨勢。

關鍵詞：毫米波相控陣天線；多波束形成；毫米波T/R組件；空間功率合成

引言

毫米波天線起步于上個世紀冷戰時期，兩個軍事強國針對當時新研制的毫米波制導導彈，相繼推出了毫米波導彈偵查和探測系統，例如毫米波天線雷達。目前，毫米波制導技術經過幾十年的發展已經比較成熟，但是毫米波天線技術卻由于工作頻段比較高，核心器件都是毫米波級別器件，使其在生產、集成、工藝以及成本存在很大的難題，同時，毫米波天線要求天線波束比較窄，掃描寬度比較寬，旁瓣低，功率也比較大，造成毫米波天線的技術和性能很難達到理想的狀態。近些年，隨著毫米波集成電路和超高速集成電路以及電子技術的快速發展，毫米波天線技術指標得到了很大的提高。毫米波相控陣天線就是其中的佼佼者，相控陣天線通過組合陣列的數目和排列不同來提高性能。毫米波相控陣天線的探測距離較遠，且能夠對空間多個目標同時跟蹤和識別和快速搜索能力，具有高分辨率和精確軌跡，工作帶寬以及掃描角度都比較寬等優。本文結合毫米波相控陣天線的技術從和實現難度，對毫米波相控陣天線的關鍵技術及其發展進行介紹和討論。

一、關鍵技術分析

（一）多波束形成能力

為了使相控陣天線的戰術性能進一步的提升，這就要求相控陣天線必須具有多波束形成能力。利用相控陣的多波束可以使天線空中探測的區域大幅度提高，同時提升了相控陣天線對空中多個目標進行同時監測的能力。多波束相控陣天線多波束形成技術不僅在相控陣雷達中有重要作用，現在也被大量應用于通信、電子戰以及無線電導航等領域中，其重要性不言而喻。

（二）毫米波T/R組件

T/R組件是毫米波相控陣天線的關鍵部件，主要包括發射信號功率放大器、低噪聲放大器（LNA）、移相器以及驅動電路和保護電路等功能電路。一般的相控陣天線都有成百上千個T/R組件，對于大功率的毫米波相控陣天線雷達，T/R組件都是高度集成化毫米級器件，數量有可能達到上萬個。

決定T/R組件性能主要有兩個指標是：（1）功率轉換效率（power added efficiency）；（2）T/R組件的成本。功率轉換效率是設備輸出功率同整個組件的功率的比值〔3〕。圖1顯示的是兩種采取不同工藝技術的T/R組件的在不同工作頻率下的PAF值，從圖中可以看出，PHFMT和MFSFFT器件隨著工作功率的增大，T/R組件的PAF的值是逐漸降低的，尤其當工作頻率達到ka波段的時候，轉換功率大幅度降低。當天線雷達組件達到毫米波級別時，所有組件的價格也將大幅度提高。所以在T/R組件設計的時候要對上述兩個指標綜合考慮進行權衡。

二、毫米波全向共形微帶天線設計

（一）微帶貼片單元天線的設計

微帶天線由三部分構成，包括微帶貼片、介質基板以及金屬接地板，一面敷以金屬輻射片，一面敷以金屬薄層作為接地板，中間是介質基片[3]。輻射片可以被設計成各種形狀。本設計采用的是矩形微帶天線。

微帶天線的輻射由微帶天線導體邊沿和地板之間的邊緣場產生[#]。

（二）饋電方式

微帶天線有多種饋電方式，大體分為側饋、背饋和藕合饋電。背饋通常用于當矩形微帶天線作為獨立的天線應用時；當要求微帶天線的結構為雙層（或多層）結構時常用藕合饋電[f51。而側饋通常用于當貼片作為微帶天線陣的陣元時。這種饋電方式制作工藝簡單，微帶饋線單元可以方便的和天線貼片單元一起光刻，因此本設計選擇側饋形式。

（三）微帶共形陣理論

微帶天線剖面低，可以制成共形陣列天線。全向微帶共形陣有兩種設計方式：線極化的連續輻射器和并饋的線極化（圓極化）貼片陣。連續環繞式微帶天線利用條狀微帶環繞在共形體圓周上，沿圓周若干點處等間距的用并聯網絡饋電。另一種是沿圓柱的圓周排列若干個矩形貼片輻射元，并對每個輻射元進行等幅同相饋電。

三、毫米波天線測量系統的建設

（一）溫度對毫米波測量系統的影響

近場測量根據奈奎斯特原理需要在半個波長以內進行采樣，對于毫米波天線來說，其測量采樣需要在半個毫米內完成，因此采樣點會變得非常密集，同時如果天線的尺寸也比較大，則采樣時間將會非常長，例如一個直徑lm的87GHz的天線，進行一次平而近場采集約需要20小時的時間。考慮到被測天線和掃描架系統均是由金屬材料組成，隨著溫度的變化，其發生的細微形變都有可能影響到測量精度。

（二）測量結果的誤差分析和補償

如果是建設遠場毫米波測量系統，其誤差主要來自于系統動態范圍不足以及測試距離不夠遠，選擇適當的性能的擴頻設備并在保持滿足動態范圍的情況下保持適當的測試距離其測量結果通常是可信的。

而如果是建設的平而近場測量系統，則影響測量精度的因素會很多，但無論是來自于機械的還是射頻的還是其它方而的，都可以通過誤差定向測量的方法來量化分析，現在的依據主要是關國國家標準局制定的18項誤差標準。但由于對18項誤差的標定測量非常耗時，一套18項誤差對于毫米波測量系統的標定來說通常需要耗費一個月的時間，而這18項誤差中的截斷誤差、收發天線的互禍和多次反射誤差、微波暗室的散射反射誤差和射頻系統的泄漏誤差等四項誤差源對總的誤差貢獻了95%以上的誤差，因此為了節省時間同時又能夠評估系統的測量結果的可信度和誤差范圍，會采用進行四項誤差標定的方法標定誤差值作為整個系統誤差的范圍。

結語：

我們通過對毫米波天線測量的理論分析和工程驗證，證實了近場毫米波測量系統的可實施性，為未來毫米波天線測量的研發調試提供了有力的基礎，相關實驗驗證的分析準確性和可行性，也為后期發展短毫米波乃至太赫茲天線測量系統提供了理論依據，具有深遠的意義。

參考文獻

[1] 張博.面向5G的毫米波技術應用分析[J].數字通信世界，2019（03）：63.

[2] 張艷杰.毫米波相控陣天線關鍵技術分析[J].信息系統工程，2019（01）：106-107+110.

[3] 周霞，劉國華，葉曉東，尹小林.一種低剖面矩形的毫米波天線設計天線[J].電腦與信息技術，2018，26（06）：36-38.