一種X波段余割平方賦形平面微帶陣列天線*

王崇惜，鄧淑英

（中國電子科技集團公司第三十九研究所 陜西省天線與控制技術重點實驗室，陜西 西安 710065）

0 引 言

在現代雷達應用中，如警戒雷達、搜索雷達、微波著陸系統中大多采用相控陣天線，要求其方位面為道爾夫-切比雪夫或泰勒方向圖并可在一定范圍掃描，而俯仰面形成如圖1所示特殊波束－－余割平方波束。余割平方波束天線，具有低仰角增益大，高仰角增益小的特點。對高度相同、傾斜距離不同的目標進行探測，可以接收等強度的回波信號，實現對遠距離目標的盡早發現；因此余割平方波束在警戒雷達、搜索雷達等系統中具有重要的應用價值。

基于某項目需求，本文設計了一種X波段16（余割平方）×4（均勻）單元余割平方波束平面微帶陣列天線。輻射單元采用一種非輻射邊饋電的寬帶雙層微帶貼片天線[1]，饋電網絡采用SSL（懸置微帶線，suspended microstripline，SSL）傳輸線并綜合“聯合應用DPF公式算法”[2,3,4]（顆粒質量計算方法，Method for calculating particle fashion，DPF），實現微帶天線陣在10.2～10.8 GHz俯仰方向余割平方波束，其-3 dB波束寬度為6.5°±10%，-10 dB波束寬度為26.5°±10%。

1 輻射單元

1.1 單元組成及工作基理

如圖1所示為理想的余割平方波束。如圖2所示為天線單元仿真構架示圖，為滿足帶寬要求采用雙層微帶貼片天線形式，其主要由饋電單元層、泡沫層、寄生單元層及反射板四部分組成[5]。其中饋電單元層上光刻激勵貼片與饋電微帶線，寄生單元層上光刻寄生貼片。

參見圖2，與常規雙層微帶貼片天線所不同的是，底層激勵貼片通過微帶線在其非輻射邊饋電，此種饋電方式可簡化饋電網絡設計，但隨之而來的問題是天線除激勵起主模TM01模之外還將激勵起高次模TM10模，導致天線交叉極化性能惡化。為解決上述問題，除適當控制貼片長寬比外[6]，還在寄生貼片上沿主極化方向，光刻一定數量均勻分布的細長縫隙，通過切斷高次模TM10模的表面電流，以滿足系統對于天線交叉極化電平要求[7]。

圖2 天線單元仿真構架

1.2 單元仿真計算

如圖3所示為通過HFSS15進行仿真計算并優化后端口回波損耗曲線及中頻典型頻點的輻射方向圖計算結果。在10.2～10.8 GHz頻帶范圍內，回波損耗優于-12 dB。天線在中頻典型頻點10.5 GHz時增益約為8.6 dBi，交叉極化電平優于-35 dB。

圖3 輻射單元計算結果

2 饋電網絡設計

2.1 賦形基理及相關計算

設一個單元數為N、單元間距為d的直線陣列如圖4所示，其陣因子為：

式中，In和αn分別為各單元的激勵和相位，是需要確定的量。k=2π/λ，λ為工作波長。

圖4 直線陣列坐標系

設直線陣列要實現如圖1所示理想的余割平方波束，那么首先對給定的方向圖函數|F0(θ)|進行取樣。設在范圍θ=0°～180°內的取樣點數為M，取樣點的值為|F0(θi)|，i=0，1，2，…，M，取樣點設置為

直線陣列陣因子S(θ)要實現圖1指定的賦形波束F0(θ)，這實際是一種函數的逼近。在單元數N和單元間距d已知的情況下，只有改變激勵幅度In和相位分布αn來達到目的。要使S(θ)逼近F0(θ)，可建立如下的目標函數：

式中，x=(I0,I1,…,IN-1,α0,α1,…,αN-1)。

采用“聯合應用DPF公式算法”使得目標函數達到最小，即求In*和αn*，n=0,1,2,…,N-1，使得

采用上述優化方法需要計算如下梯度向量：

式中，

為滿足前述某項目要求，對如圖1所示目標方向圖進行等間隔取樣，取樣點數為M=1800，單元數為N=16、單元間距為d=17.5 mm。激勵幅度In的初值選為切比雪夫分布，激勵相位αn的初值選為平方律分布。平方律相位分布初值見如下表達式：

參考式（1）～式（7），經過迭代計算得到的單元激勵幅度和相位如圖5所示。

圖5 電流分布理論計算結果

2.2 饋電網絡仿真計算

綜合考慮上述計算結果及系統EIRP要求，饋電網絡采用如圖6所示低損耗懸置微帶線（SSL）形式。懸置微帶線是通過一薄層介質支撐中心導體，因此它的損耗很小（εe更接近于空氣）。

天線饋電網絡所用微帶板材為Rogers5880，介質厚度0.254 mm，銅層厚度0.035 mm，相對介電常數εr=2.20，損耗角正切 tanδ=0.000 9。

利用HFSS15完成饋電網絡設計優化，結果表明，各輸出端口間帶內相對幅相偏差在±0.3 dB/±5°以內。

3 天線整體仿真計算結果與實測結果

在上述前兩節中，已對天線輻射單元和饋電網絡分別進行了闡述和相關計算。在此項目中為了在實現天線俯仰方向余割平方賦形的同時滿足天線增益指標要求，天線陣面采用如引言所述16X4單元布局。將陣列天線單元和饋電網絡集成后進行了整體仿真優化，如圖7所示為天線整體仿真模型及部分仿真結果。

圖6 饋電網絡仿真模型

圖7 天線整體仿真計算

圖8 天線實物照片

圖9 天線實測指標

最終加工完成的X波段余割平方賦形雙層平面微帶陣列天線實物照片如圖8所示。天線陣面厚度(含連接器)為16 mm。在實驗室及微波暗室平面近場對該天線的各項性能指標進行了測試，測試結果表明該天線在10.2～10.8 GHz的設計頻帶內回波損耗小于-10 dB，帶內交叉極化電平優于-35 dB，帶內增益大于22 dBi。各典型頻點實測遠場方向圖、饋電端口回波損耗如圖9所示。如表1所示為天線3 dB、10 dB波束寬度仿真設計值與實測值，滿足項目指標要求。

表1 天線波束寬度

4 結 語

本文介紹了一種X波段16×4單元余割平方賦形平面微帶陣列天線的設計，輻射單元采用非輻射邊饋電雙層貼片天線；饋電網絡采用低損耗懸置微帶線（SSL）形式，并結合低阻傳輸線與多級阻抗變換等多種技術手段。最終綜合“聯合應用DPF公式算法”實現了天線在10.2～10.8 GHz工作頻帶內，總口回波損耗小于-10 dB，帶內交叉極化電平優于-35 dB，帶內增益大于22 dBi，波束覆蓋滿足項目指標要求。測試結果表明，仿真計算值與實測值結果一致性較好，可供同類型微帶天線借鑒。