一種微帶相控陣天線設計

孫 姣 蔣延生 張安學

(1.駐西安地區第六軍事代表室 西安 710043；2.西安交通大學 西安 710049)

0 引言

雷達不被敵方各種截獲接收機截獲，就可以避免被偵察、被干擾和被反輻射導彈攻擊，這就促使了低截獲概率(LPI)雷達的產生[1]。低截獲概率的實質，就是雷達的最大作用距離大于敵方偵查接收機的最大探測距離，即雷達保證在探測到目標的同時，使得敵方接收機截獲到雷達信號的概率最小化。LPI技術的應用大大提高了雷達的生存能力和作戰能力[2]。

天線作為雷達系統的重要部件之一，直接影響著雷達性能的好壞和成本的高低。在近幾十年當中，隨著航空、航天技術的飛速發展，雷達天線也在突飛猛進地發展，經歷了從傳統的拋物面天線、卡塞格倫天線到波導型陣列天線的逐步過渡。然而，由于傳統雷達天線主要基于機械掃描技術，存在著諸多缺點，如重量體積大、掃描速度慢、靈活性差等。相控陣技術的出現使雷達技術得到了更進一步的發展。它具有靈活性好、穩定性高、波束掃描速度快等諸多優點。通過控制各個陣元的相位，能夠實現波束快速掃描，并且能夠根據環境的不同自適應調節波束的指向，極大提高了雷達的性能[3]。本文結合實際天線指標要求介紹了相控陣天線綜合。依據寬帶寬角掃描輻射單元的要求，提出了天線單元的設計方法，設計了一種并饋雙層微帶天線線陣，將線陣組成天線子陣，利用HFSS軟件仿真了該形式的天線子陣，加工了天線子陣，并進行了外場測試，對設計方法進行了驗證。

1 方案設計

天線的總設計思想為：采用脈沖和二維接收DBF工作體制，控制電路和微波電路均高度集成，減少天線內部各單元之間的線纜連接，提高天線的可靠性和維修性。天線由天線陣面、高集成信號傳輸網絡、信號處理、頻綜和本振、供電及散熱設備等組成。天線的電原理見圖1。

圖1 雷達天線電原理圖

2 天線綜合

相控陣天線綜合的方法有傅里葉級數法[4]、謝昆諾夫法[5]、切比雪夫綜合法[6]和泰勒[7]線源綜合法等。本文主要根據泰勒線源綜合法進行天線綜合設計，確定天線各個參數。

根據掃描范圍的指標要求，考慮到天線組件的模塊化設計、天線陣面結構布局的可行性以及接收天線陣面的對稱性要求，天線陣面采用矩形柵格形式。雷達天線的陣面布局圖見圖2。

圖2 雷達天線的陣面布局圖

發射陣面為矩形布局方式，天線方位包含4個子陣，俯仰包含4個子陣，共16個發射子陣，工作狀態時，發射T組件每通道均工作在飽和放大狀態，發射天線為均勻加權，發射天線中心頻率方向圖見圖3、圖4。

圖3 天線發態方向圖

圖4 天線發態方向圖

為了滿足雷達指標的要求，同時兼顧數據處理和本振功分的問題，接收陣面采用子陣式DBF工作體制，近似圓形布局方式，天線方位包含8個子陣，俯仰包含8個子陣，全陣共52個子陣。接收天線采用同時波束的方法實現方位和俯仰差波束，接收天線中心頻率方向圖見圖5和圖6。

圖5 天線收態和差方向圖

圖6 天線收態和差方向圖

3 仿真設計

高性能輻射單元是相控陣天線的核心元件，其決定了相控陣天線的掃描性能。微帶天線因具有體積小、重量輕、剖面低、饋電方式靈活、價格便宜、易與導彈、飛行器共形等特點在工程上具有良好的應用背景。

本文采用矩形微帶天線作為陣列天線的陣元。微帶天線工作的頻率為f0，矩形貼片的長寬分別為L和W，所采用的介質板厚度為h，介電常數為εr，則可通過經驗公式粗略的求出矩形貼片的長寬，再通過仿真軟件進行優化，這樣可以大幅度地節省天線的設計時間。綜合考慮，選擇RO4350板材，εr為3.66，板材厚度h為0.508mm。根據上述經驗公式計算出微帶單元的初始尺寸為L=4.498mm、W=5.88mm。利用HFSS軟件對所設計的單元天線建模，并對其進行了仿真，模型如圖7所示。

圖7 單層微帶天線仿真模型圖

經仿真發現，單層微帶天線的頻帶比較窄。為了展寬頻帶，我們采用雙層微帶天線，天線帶寬可達12%。雙層微帶天線仿真模型圖見圖8。圖9和圖10為雙層微帶輻射單元電壓駐波比和增益仿真結果。

這等履歷即使放在我們之前曾經介紹過的一眾絕頂武人當中，都可算得上出類拔萃，然而這般高明的張三爺，卻無人知其出身何門。

圖8 雙層微帶天線仿真模型圖

圖9 雙層微帶輻射單元電壓駐波比仿真結果

圖10 雙層微帶輻射單元增益仿真結果

對微帶天線單元進行組陣時，單元是通過饋電網絡連接的。微帶陣列天線的饋電方式有并聯饋電和串聯饋電，通過對比串聯饋電和并聯饋電的優缺點以及依據仿真結果和實際應用的需求綜合考慮，最終本文選擇并聯饋電網絡組成的陣列天線。

為避免功分網絡對輻射單元性能的影響，功分網絡采用一分三并行功分的形式，與輻射單元位于不同的電路層，功分器和輻射單元之間通過同軸饋電連接，實現了輻射單元和饋電網絡的物理隔離，并且通過加載電感釘的匹配方式，消除了功分網絡的諧振現象，展寬了微帶線陣的帶寬，線陣輻射單元之間通過周期性的電感釘形成高阻表面，消除了單元之間的互耦，提高了單個天線單元的增益。并饋仿真模型見圖11，圖12為并饋雙層微帶輻射單元中心頻率方向圖仿真結果，圖13為并饋雙層微帶輻射單元電壓駐波比仿真結果。

圖11 并饋雙層微帶輻射單元

圖12 并饋雙層微帶輻射單元方向圖

圖13 并饋雙層微帶輻射單元電壓駐波比

該項目稱為子陣式DBF天線，根據指標的要求，三個線陣組成一個子陣，子陣結構圖形見圖14，每個線陣通過波珠接插件與一路TR組件或者R組件焊接，即每個子陣包含3路TR組件或者R組件，子陣通過smp和J30等盲插結構與高集成的信號傳輸網絡連接，在仿真設計時考慮固定螺釘對子陣性能的影響。子陣仿真模型圖見圖15。子陣電壓駐波比仿真結果見圖16，子陣方向圖仿真結果見圖17。通過仿真發現，子陣三個端口的駐波在頻帶范圍內電壓駐波比小于2；子陣方向圖具有較好的對稱性。

圖14 子陣結構圖形

圖15 子陣仿真模型

圖16 子陣電壓駐波比

圖17 子陣方向圖(f0)

4 實驗驗證

加工一子陣進行子陣電壓駐波比、有源單元反射系數(轉換成有源單元電壓駐波比)及有源單元方向圖的測試。子陣的實物圖見圖18，用一塊金屬鋁板代替瓦片式TR組件，將型號為SMP-JFD6A射頻接插件焊接到微帶天線板上，微帶天線板和金屬鋁板用導電膠固定。

圖18 子陣實物圖

利用網絡分析儀進行子陣電壓駐波比測試，測試中間饋電口的電壓駐波比，兩邊的饋電口接匹配負載，測試場景和測試結果見圖19。

圖19 子陣電壓駐波比的測試

有源單元反射系數(轉換為有源單元電壓駐波比)的測試結果見圖20。

圖20 有源單元電壓駐波比

在微波暗室進行子陣有源單元方向圖測試，測試中間端口的有源單元方向圖，其余的端口接匹配負載，測試場景見圖21，測試結果見圖22至圖24，由于二維轉臺俯仰轉動范圍有限，因此，子陣方向圖測試結果俯仰面只能測試±30°內的方向圖。

實驗結果表明：

圖21 子陣測試場景

圖22 子陣方向圖測試結果(f0-1000MHz)

圖23 子陣方向圖測試結果(f0)

圖24 子陣方向圖測試結果(f0+1000MHz)

2)該形式微帶輻射單元具有良好的端口匹配特性。子陣電壓駐波比仿真與實物測試結果一致，有源單元電壓駐波比的仿真結果與實際測試結果也基本可比擬。

3)該形式微帶輻射單元具有良好的輻射特性。有源單元方向圖的仿真結果和實際測試結果一致，波束寬度均為：H面波束寬度大于90°，E面波束寬度大于25°。該形式微帶輻射單元剖面低，重量輕、成本低適合大型相控陣天線使用。

5 結束語

本文在總結研究背景的基礎上對微帶相控陣天線進行了研究，從方案設計出發，在仿真軟件中設計所需的仿真模型，優化仿真后所得的結果可以滿足預先設定的技術指標，完成了子陣加工制作以及電氣性能測試，測試結果達到了預期目標，對設計方法進行了驗證。