基于背腔結構的瓦片式兩維有源相控陣天線

楊亞兵 趙交成 廖 原 姜世波 李 寧

(西安電子工程研究所 西安 710100)

0 引言

近年來，有源相控陣天線已經廣泛應用于雷達、電子戰、通信等無線電系統，其性能的優劣直接關系到這些系統能否正常發揮其效能。隨著技術的飛速發展以及系統多功能、平臺一體化任務要求，寬帶與超寬帶相控陣天線需求更為急迫[1-3]。此外，系統集成度大大提高，對微波前端尤其是相控陣天線的體積、重量提出了更高的要求。寬帶與超寬帶相控陣天線最常用的天線形式是緊耦合陣列。在文獻[4]中提出了具有集成巴倫的緊耦合偶極子陣列，該陣列具有兩維波束掃描能力，但是天線結構不是平面的且饋電巴倫較復雜。Vivaldi天線是另一種常用的陣列單元[5-6]。通常，這些Vivaldi天線陣列可在較寬的掃描角度下實現大的的阻抗帶寬，但其結構并非低剖面。可見，作為相控陣天線的重要部分，陣列單元不僅應滿足電氣性能要求，而且還應具有良好的機械性能。眾所周知，微帶天線具有低剖面且易于集成的優點。然而，常規微帶天線的帶寬較窄，特別是對于兩維相控陣天線而言，大的掃描角度限制了天線單元的間距，這增加了帶寬擴展的設計難度。有許多方法可以擴展微帶天線的帶寬[7-12]，其中背腔縫隙天線已被證明是有用的。例如，通過在基于基片集成波導的空腔中激發兩種混合模式并將它們合并在所需的頻率范圍內，所提出天線的阻抗帶寬從1.4%提高到6.3%[8]。在文獻[9]中提出的具有寬角掃描特性的背腔縫隙天線陣，其阻抗帶寬大于12%。

在本文中，提出了一種具有兩維波束掃描性能的低剖面寬帶平面相控陣，采用了背腔縫隙微帶天線作為陣列單元。提出的陣列單元由印刷在底部基板上的開路微帶線以及分別印刷在中間基板和頂部基板上的雙層貼片組成。背腔和堆疊式多層貼片結構有機組合設計以展寬工作帶寬。我們加工并測試了8×8平面相控陣原理樣機，測量結果證實該天線陣列可以用作X波段大規模低剖面寬帶相控陣的子陣。以下具體介紹和討論天線單元設計細節和陣列樣機測量結果。

1 天線設計與分析

圖1為所提出的天線單元結構示意圖，最終優化尺寸列于表2中。如圖1所示，該天線單元由三層基板和一個矩形金屬腔組成，具體來說是由印刷在底部介質基板上的微帶開路線以及分別印刷在中間介質基板和頂部介質基板上的雙層微帶貼片組成。設計選擇Taconic TLY-5作為介質材料，從頂部到底部基板的厚度分別為H1、H2和H3。采用微波多層混壓技術，使用Taconic FR-27半固化片進行粘合，將三層基板加工成多層PCB。背腔尺寸為WS×LS×HS，位于多層PCB正下方。由同軸探針饋電的短路微帶線印刷在底部基板的頂面，用以激勵背腔輻射。所提出的天線單元具有堆疊的多層輻射結構，在頂部基板上蝕刻出邊長為W1的正方形貼片，在中間基板上蝕刻出邊長為W2的另一個正方形貼片。如圖1(d)所示，將一對寄生貼片放置在中間層上以改善相鄰單元之間的隔離，有利于抑制表面波。而且，為了避免產生不對稱的輻射方向圖，微帶饋線相對于腔結構中心對稱布置。同時，引入了一個寄生饋線與微帶饋線鏡像，兩者之間有0.2mm (Df)的間隙。此外，根據設計要求，選擇陣列單元間距為14.5mm ×17.0mm，以避免方向圖大角度掃描時出現柵瓣。

圖1 天線單元結構示意圖

表2 天線單元尺寸參數(單位: mm)

為了評估寬帶兩維波束掃描能力，所提出的天線單元被視為無限陣列單元，通過設置周期性邊界條件使用HFSS軟件來仿真其性能。圖2給出了在工作頻率范圍內，多個掃描角度的有源VSWR仿真結果。可見，在掃描至所需的最大角度時，有源VSWR在8～12GHz頻帶內小于2.8。此外，明顯可見7.8GHz和12GHz處有兩個諧振點。圖3給出了陣中單元的仿真輻射方向圖。可見，H面、E面方向圖均非常對稱，并且交叉極化電平小于-40 dB。但是，E面交叉極化略高，尤其是在高頻下。這可能與設計引入的微帶饋線有關，因為這些交叉極化方向圖看起來類似于偶極子的方向圖。

圖2 天線單元有源VSWR仿真結果

在此，進行參數分析以進一步研究天線單元特性。基于輻射機理，輻射貼片(頂層和中間層)的寬度對諧振頻率有直接影響。圖4和圖5為不同W1、W2參數下有源反射系數仿真結果。首先分析頂層貼片的影響，其中W1在6.5～8.5 mm之間變化。W1影響兩個諧振，特別是在低頻諧振。隨著W1的減小，低頻諧振將如預期的那樣朝著更高的頻帶移動。但是，當W1改變時，除非W1等于7.5mm，否則高頻諧振變化并不明顯。另外，W2對高頻諧振有較大影響，較小的寬度導致較高的諧振頻率，反之亦然。為了更好的阻抗匹配，經過優化W1和W2分別為7.5mm和4.5 mm。

圖4 天線單元有源反射系數仿真結果(隨W1變化)

圖5 天線單元有源反射系數仿真結果(隨W2變化)

2 試驗結果與分析

為了驗證所提出的設計，加工制造了8 × 8有限規模平面相控陣原理樣機，其外形尺寸為116 × 144 × 12 mm3(含T/R模塊尺寸)，如圖6所示。天線陣列底部有64個同軸饋電端口，每個天線單元直接與有源T/R模塊連接。此外，有源VSWR的測量是通過矢量網絡分析儀進行的，而輻射方向圖和增益是在天線遠場進行測試的。

圖6 天線陣列樣機照片

陣中單元的有源VSWR采用互耦法進行測試。測量中心單元(28號端口)與其他單元之間的S參數(S28，j)，并且通過將這些測量數據以一定的幅度、相位權重相加來計算有源反射系數。因此，通過進一步的簡單轉換，得到不同掃描角度的陣中單元有源VSWR，如圖7所示。從該圖可以看出，在所需的兩維掃描范圍內，本設計可以實現40%以上帶寬。實測結果與仿真結果之間的差異是由于仿真是在無限陣列中進行的，兩者具有不同的陣列環境。圖8給出了測得的中心單元的輻射方向圖，此時只有中心單元被激勵，而其他所有單元端接50Ω匹配負載。可以看出，陣中單元具有較寬的輻射方向圖和較低的交叉極化，這有利于以較低的掃描增益波動實現寬角掃描。

圖7 陣中單元有源VSWR實測結果

為了研究天線陣列的掃描性能，圖9給出了E面、H面高中低三個頻點的掃描方向圖，使用-20dB泰勒錐削分布用于陣列單元激勵以降低副瓣電平。如圖9所見，對于所有掃描方向圖均沒有柵瓣出現，且副瓣電平低于-16 dB。綜合來看，掃描增益降低H面小于4.5 dB、E面小于2.5 dB。根據這些測量結果，顯然提出的天線陣列具有優異的兩維波束掃描能力。進一步研究分析，圖10給出了被測中心單元激勵時，天線法向增益與頻率的關系。如圖10可見，測量結果與仿真結果最大差值在0.5 dB以內。這種差異主要是由介質和導體損耗引起的。此外，設計的類同軸垂直過渡結構也可能導致插入損耗增加。

圖10 陣中單元法向增益仿真與實測結果

3 結束語

本文提出了一種具有兩維波束掃描能力的低剖面寬帶平面相控陣。設計采用了背腔縫隙堆疊多層微帶天線作為陣列單元，而陣列單元設計引入終端短路的微帶饋線以激勵背腔輻射。所提出的天線單元在H面±45°、E面±30°掃描范圍內實現了40%工作帶寬。為了驗證設計，加工并測量了一個8 × 8平面相控陣樣機。測量結果表明，該天線陣列可以用作X波段大規模寬帶相控陣的子陣。因此，本文為設計低剖面、易集成的寬帶瓦片式兩維相控陣提供了一個很好的解決方案。