米波寬帶小型化相控陣天線單元研究

魏占宇,王發光,王有義

(遼寧遼無一電子有限公司,遼寧 遼陽 111000)

0 引 言

米波雷達技術體制的發展對米波相控陣天線技術提出了越來越高的要求,相對應的工作頻率也越來越寬。在米波頻段,組成寬帶相控陣天線的傳統天線單元的物理尺寸一般較大,難以實現高機動米波雷達天線陣面的快速折疊展開。因此,米波寬帶相控陣天線小型化技術是解決高機動米波雷達天線陣面快速折展的重要研究方向。

傳統的米波天線單元多采用八木天線單元和傘形微帶單元形式,但帶寬較窄,天線體積較大,無法實現小型化設計要求。此外,常規的天線單元采用板線平衡器或微帶板進行饋電,防水效果通常較差,長時間使用還會降低天線單元性能。

本文采用一種新型全金屬結構的Vivaldi天線單元形式[1],通過增大指數曲線的漸變曲率來增大兩個指數曲線的張角[2],結構上采用與常規半波陣子相結合的方式以達到降低天線高度的目的,工作頻段覆蓋了130～270 MHz,倍頻帶寬達到了1倍以上。

1 米波Vivaldi天線單元設計

Vivaldi天線又稱為非周期的指數錐形開槽天線,具有高增益、寬帶寬、良好的輻射等特性。典型的Vivaldi天線結構如圖1所示,由槽線、開路腔和漸變指數線構成。

圖1 Vivaldi天線結構形式

指數曲線可以用下式表示:

y=C1errz+C2

(1)

式中,rr為指數曲線的漸變曲率;C1、C2分別根據指數漸變線的起始位置和終止位置確定,且

(2)

(3)

式中,(y1,z1)、(y2,z2)分別為指數線的起始和終止坐標[3]。

文中的天線單元在常規Vivaldi天線基礎上進行了改進,在保證性能基本不變的情況下,實現了單元的低剖面和小型化。天線整體采用的材料為純金屬,同時對饋電部分進行變形,采用同軸線饋電結構。為了減輕風阻和重量,天線的金屬部分采用框架結構形式。天線單元的下端設計了一個矩形的諧振腔,其作用相當于常規Vivaldi天線中的圓形諧振腔[4]。天線外形如圖2所示。

圖2 天線外形圖

天線采用同軸形式進行饋電,為了防止天線和電纜接口處漏水,將接插件設計成法蘭形式,天線端設計成法蘭底座,電纜端設計成法蘭插頭,法蘭底座開一個安裝O型密封圈的槽,并安裝密封圈。插座和插頭通過4個螺絲固定在一起。

2 仿真優化和數據分析

2.1 米波Vivaldi天線單元參數優化

利用仿真軟件HFSS分別對單元的漸變曲率、縫隙寬度、諧振腔寬度、單元高度和寬度等進行優化[5]。下面主要通過優化典型的3種參數分析其對駐波指標的影響。

通過初步仿真,rr的最佳調節范圍為10～20。保證其他參數不變,改變rr數值,單元電壓駐波比隨rr變化如圖3所示。可以看出隨著rr的增大,低頻和高頻的性能都有所改善;當rr=15時,帶寬和駐波性能最好,但當rr超過15時,性能開始惡化,因此rr可以取值為15。

圖3 駐波隨rr變化圖

用dport表示兩個指數曲線之間的縫隙寬度,通過初步仿真,dport的最佳調節范圍為8～28 mm。保證其他參數不變,改變dport數值,單元電壓駐波比隨dport數值變化如圖4所示。在dport從8 mm增加到28 mm的過程中,駐波性能逐漸變好;但當dport值大于12 mm時,駐波性能開始變差,因此dport可以取值為12 mm。

圖4 駐波隨間距變化圖

用dyport表示矩形諧振腔的橫向寬度,保持其他參數不變,改變dyport數值,單元電壓駐波比隨dyport數值變化如圖5所示。可以看出,隨著dyport的變化,取230 mm時,駐波性能最佳;當寬度超過270 mm時,低頻駐波性能明顯變差,所以dyport取值為230 mm。

圖5 駐波隨諧振腔寬度變化圖

不斷優化各個參數,最終依據仿真結果確定單元的尺寸,仿真的電壓駐波比如圖6所示,可以看出單元駐波比小于1.8。

圖6 天線單元駐波仿真圖

2.2 米波Vivaldi天線單元的掃描性能

由于要求天線在水平面和垂直面都進行掃描,為了防止電掃過程中天線增益下降嚴重,天線單元波束寬度不能太窄。天線采用垂直極化方式,要求H面掃描±45°,E面掃描±10°,因此天線單元波束寬度至少要大于掃描角度。對天線方向圖進行仿真,單元仿真H面和E面方向圖見圖7,可以看出H面波束寬度為176°,E面波束寬度為74°。

圖7 天線單元H面和E面方向圖

3 陣列仿真與測試

雷達天線陣是由6行×22列共132個單元組成的矩形柵格矩形邊界陣,單元為垂直極化。為防止雷達掃描時出現柵瓣,單元間距應符合條件:

(4)

為了避免天線在接近最大掃描角時產生單元嚴重失配和出現柵瓣,選擇θm比實際掃描角大5°。計算時水平角度取45°+5°=50°,得到水平間距應不大于0.644 m,選取0.625 m作為水平間距。垂直角度取10°+5°=15°,得到垂直間距不大于0.903 m,選取0.9 m作為垂直間距。

3.1 組陣駐波

組陣后由于受附近單元互耦影響,單元駐波會有變化,圖8為5×5的陣中中心單元駐波圖。

圖8 陣中單元駐波比

可以看出,由于受單元互耦影響,低頻段帶內駐波比出現起伏,但整體駐波符合指標要求。當天線陣掃描時,波束方向發生改變,對每個單元來說受到的互耦影響也會發生變化,因此單元駐波也會相應變化。圖9、圖10分別是天線陣在水平面和垂直面掃描到最大角度時的中心單元駐波圖。

圖9 水平面掃描45°單元駐波比

圖10 垂直面掃描10°單元駐波比

3.2 天線陣增益

根據天線增益理論計算公式G=η×10×lg(4πS/λ2),其中天線口徑S=(22×0.625×6×0.9)m2,發射時天線效率為0.98,接收時按泰勒加權,天線效率為0.86,估算得到的高頻段和低頻段高、低頻點的天線增益值如表1所示。

表1 天線增益(單位：dBi)

3.3 方向圖特性

在天線組陣后,發射采用等相位和等功率發射,接收時采用DBF形式。采用HFSS中可重復利用的DDM單元求解有限大陣列的方法對天線陣進行仿真。仿真發射和接收不移相時的方向圖如圖11所示,仿真接收移相0°、15°、30°、45°時的H面方向圖如圖12所示,仿真H面移相45°、E面移相10°三維方向圖如圖13所示。

圖11 接收和發射不移相方向圖

(c)30°

(d)45°

圖13 接收H面移相45°、E面移相10°方向圖

表2 發射水平波束寬度(單位:°)

表3 接收水平波束寬度(泰勒30 dB權值,單位:°)

表4 垂直波束寬度(單位:°)

依據仿真和優化結果試制天線陣面,并測試接收水平方向圖。測試接收和發射方向圖分別如14、15所示,單元組陣后實測結果與理論計算及仿真結果吻合度較高,滿足設計要求。實測值與理論值對比結果如表5所示。

(a)低頻1

(b)低頻2

(a)高頻1

(b)高頻2

表5 天線陣性能理論與實測對比表

4 結束語

本文設計的米波寬帶小型化相控陣天線單元基于常規Vivaldi天線單元。針對傳統米波天線單元帶寬窄、尺寸大的問題,采用與半波陣子相結合的槽線饋電方式,在保證天線性能的前提下,大幅降低了天線單元的高度;通過優化參數保證天線單元在工作頻段內的掃描性能。由此天線單元組成的6×22天線陣列測試結果良好,滿足工程化生產、應用要求。