基于背腔結(jié)構(gòu)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(lái)，有源相控陣天線已經(jīng)廣泛應(yīng)用于雷達(dá)、電子戰(zhàn)、通信等無(wú)線電系統(tǒng)，其性能的優(yōu)劣直接關(guān)系到這些系統(tǒng)能否正常發(fā)揮其效能。隨著技術(shù)的飛速發(fā)展以及系統(tǒng)多功能、平臺(tái)一體化任務(wù)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(tǒng)集成度大大提高，對(duì)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(xiàn)[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(jié)構(gòu)不是平面的且饋電巴倫較復(fù)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(shí)現(xiàn)大的的阻抗帶寬，但其結(jié)構(gòu)并非低剖面。可見(jiàn)，作為相控陣天線的重要部分，陣列單元不僅應(yīng)滿足電氣性能要求，而且還應(yīng)具有良好的機(jī)械性能。眾所周知，微帶天線具有低剖面且易于集成的優(yōu)點(diǎn)。然而，常規(guī)微帶天線的帶寬較窄，特別是對(duì)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(kuò)展的設(shè)計(jì)難度。有許多方法可以擴(kuò)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(guò)在基于基片集成波導(dǎo)的空腔中激發(fā)兩種混合模式并將它們合并在所需的頻率范圍內(nèi)，所提出天線的阻抗帶寬從1.4%提高到6.3%[8]。在文獻(xiàn)[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(kāi)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(jié)構(gòu)有機(jī)組合設(shè)計(jì)以展寬工作帶寬。我們加工并測(cè)試了8×8平面相控陣原理樣機(jī)，測(cè)量結(jié)果證實(shí)該天線陣列可以用作X波段大規(guī)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(shè)計(jì)細(xì)節(jié)和陣列樣機(jī)測(cè)量結(jié)果。

1 天線設(shè)計(jì)與分析

圖1為所提出的天線單元結(jié)構(gòu)示意圖，最終優(yōu)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(gè)矩形金屬腔組成，具體來(lái)說(shuō)是由印刷在底部介質(zhì)基板上的微帶開(kāi)路線以及分別印刷在中間介質(zhì)基板和頂部介質(zhì)基板上的雙層微帶貼片組成。設(shè)計(jì)選擇Taconic TLY-5作為介質(zhì)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(shù)，使用Taconic FR-27半固化片進(jìn)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(lì)背腔輻射。所提出的天線單元具有堆疊的多層輻射結(jié)構(gòu)，在頂部基板上蝕刻出邊長(zhǎng)為W1的正方形貼片，在中間基板上蝕刻出邊長(zhǎng)為W2的另一個(gè)正方形貼片。如圖1(d)所示，將一對(duì)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(chǎn)生不對(duì)稱(chēng)的輻射方向圖，微帶饋線相對(duì)于腔結(jié)構(gòu)中心對(duì)稱(chēng)布置。同時(shí)，引入了一個(gè)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(jù)設(shè)計(jì)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(shí)出現(xiàn)柵瓣。

圖1 天線單元結(jié)構(gòu)示意圖

表2 天線單元尺寸參數(shù)(單位: mm)

為了評(píng)估寬帶兩維波束掃描能力，所提出的天線單元被視為無(wú)限陣列單元，通過(guò)設(shè)置周期性邊界條件使用HFSS軟件來(lái)仿真其性能。圖2給出了在工作頻率范圍內(nèi)，多個(gè)掃描角度的有源VSWR仿真結(jié)果。可見(jiàn)，在掃描至所需的最大角度時(shí)，有源VSWR在8～12GHz頻帶內(nèi)小于2.8。此外，明顯可見(jiàn)7.8GHz和12GHz處有兩個(gè)諧振點(diǎn)。圖3給出了陣中單元的仿真輻射方向圖。可見(jiàn)，H面、E面方向圖均非常對(duì)稱(chēng)，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(shè)計(jì)引入的微帶饋線有關(guān)，因?yàn)檫@些交叉極化方向圖看起來(lái)類(lèi)似于偶極子的方向圖。

圖2 天線單元有源VSWR仿真結(jié)果

在此，進(jìn)行參數(shù)分析以進(jìn)一步研究天線單元特性。基于輻射機(jī)理，輻射貼片(頂層和中間層)的寬度對(duì)諧振頻率有直接影響。圖4和圖5為不同W1、W2參數(shù)下有源反射系數(shù)仿真結(jié)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(gè)諧振，特別是在低頻諧振。隨著W1的減小，低頻諧振將如預(yù)期的那樣朝著更高的頻帶移動(dòng)。但是，當(dāng)W1改變時(shí)，除非W1等于7.5mm，否則高頻諧振變化并不明顯。另外，W2對(duì)高頻諧振有較大影響，較小的寬度導(dǎo)致較高的諧振頻率，反之亦然。為了更好的阻抗匹配，經(jīng)過(guò)優(yōu)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(shù)仿真結(jié)果(隨W1變化)

圖5 天線單元有源反射系數(shù)仿真結(jié)果(隨W2變化)

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

為了驗(yàn)證所提出的設(shè)計(jì)，加工制造了8 × 8有限規(guī)模平面相控陣原理樣機(jī)，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(gè)同軸饋電端口，每個(gè)天線單元直接與有源T/R模塊連接。此外，有源VSWR的測(cè)量是通過(guò)矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行的，而輻射方向圖和增益是在天線遠(yuǎn)場(chǎng)進(jìn)行測(cè)試的。

圖6 天線陣列樣機(jī)照片

陣中單元的有源VSWR采用互耦法進(jìn)行測(cè)試。測(cè)量中心單元(28號(hào)端口)與其他單元之間的S參數(shù)(S28，j)，并且通過(guò)將這些測(cè)量數(shù)據(jù)以一定的幅度、相位權(quán)重相加來(lái)計(jì)算有源反射系數(shù)。因此，通過(guò)進(jìn)一步的簡(jiǎn)單轉(zhuǎn)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(nèi)，本設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)40%以上帶寬。實(shí)測(cè)結(jié)果與仿真結(jié)果之間的差異是由于仿真是在無(wú)限陣列中進(jìn)行的，兩者具有不同的陣列環(huán)境。圖8給出了測(cè)得的中心單元的輻射方向圖，此時(shí)只有中心單元被激勵(lì)，而其他所有單元端接50Ω匹配負(fù)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(dòng)實(shí)現(xiàn)寬角掃描。

圖7 陣中單元有源VSWR實(shí)測(cè)結(jié)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(gè)頻點(diǎn)的掃描方向圖，使用-20dB泰勒錐削分布用于陣列單元激勵(lì)以降低副瓣電平。如圖9所見(jiàn)，對(duì)于所有掃描方向圖均沒(méi)有柵瓣出現(xiàn)，且副瓣電平低于-16 dB。綜合來(lái)看，掃描增益降低H面小于4.5 dB、E面小于2.5 dB。根據(jù)這些測(cè)量結(jié)果，顯然提出的天線陣列具有優(yōu)異的兩維波束掃描能力。進(jìn)一步研究分析，圖10給出了被測(cè)中心單元激勵(lì)時(shí)，天線法向增益與頻率的關(guān)系。如圖10可見(jiàn)，測(cè)量結(jié)果與仿真結(jié)果最大差值在0.5 dB以內(nèi)。這種差異主要是由介質(zhì)和導(dǎo)體損耗引起的。此外，設(shè)計(jì)的類(lèi)同軸垂直過(guò)渡結(jié)構(gòu)也可能導(dǎo)致插入損耗增加。

圖10 陣中單元法向增益仿真與實(shí)測(cè)結(jié)果

3 結(jié)束語(yǔ)

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(shè)計(jì)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(shè)計(jì)引入終端短路的微帶饋線以激勵(lì)背腔輻射。所提出的天線單元在H面±45°、E面±30°掃描范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了40%工作帶寬。為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)，加工并測(cè)量了一個(gè)8 × 8平面相控陣樣機(jī)。測(cè)量結(jié)果表明，該天線陣列可以用作X波段大規(guī)模寬帶相控陣的子陣。因此，本文為設(shè)計(jì)低剖面、易集成的寬帶瓦片式兩維相控陣提供了一個(gè)很好的解決方案。