司 軍,柯 濤,張莉萍
(船舶重工集團公司723所,揚州225001)
如今的平面陣列天線多由多條行饋或者列饋組成。而在一維相掃的相控陣雷達中,大部分是采取每行一個或者幾個收發(fā)組件,方位面一般是機械掃描,為了增強抗干擾的能力,需要采取低副瓣設計,饋電網(wǎng)絡的設計就至關重要[1]。
實踐證明,在高頻段相控陣雷達中,尤其是X波段以上,只有實現(xiàn)了天饋一體化,才方便后續(xù)的生產調試。天線單元和功分器集成化設計,加工出來的天線不需要調試,只要加工工藝控制到位,設計的時候余量留夠,一般都是能夠滿足需求的。
饋電網(wǎng)絡最基本的要求是提供陣列天線幅度相位加權所需的功率和相位。在設計之初就考慮到天線互耦的影響并設法減弱,這對低副瓣、超低副瓣天線的設計都是必然的。
本文采取了帶狀線印刷振子與功分網(wǎng)絡一體化設計,首先設計經(jīng)過幅度加權的功分網(wǎng)絡,然后與天線協(xié)同仿真。
天線技術指標為:工作頻帶:X波段±400MHz;天線副瓣:小于-30dB;輸入駐波:小于1.8;陣列形式:天線與功分網(wǎng)絡一體化設計;方位波寬:1°。
陣列天線中單元天線間的耦合將影響振子上的電流,設計之初就要在小陣中完成單元的設計。
單元振子天線主要有3種結構形式,分別是微帶耦合結構、帶狀混合環(huán)直接饋電結構、帶線耦合結構。本文選取了帶線耦合結構,如圖1所示。圖中:L為輻射臂長度;D為輻射臂寬度;W 為饋線寬度。印刷振子帶寬較寬,經(jīng)過特殊設計后,可以滿足二維相控陣雷達天線寬波束的需求。
經(jīng)過優(yōu)化設計,得到振子天線的基本參數(shù)如表1所示。
圖1 印刷振子結構圖
表1 振子的基本參數(shù)
在實際應用中,結合經(jīng)常使用的板材,選取了介質板厚度為1.2mm,介電常數(shù)為2.5的Taconic板材。
建立模型后通過仿真軟件建模優(yōu)化,得到了天線單元的駐波曲線如圖2所示,可見在800MHz頻帶范圍內駐波均在1.1以下,該類型的天線駐波帶寬較寬。
圖2 天線單元駐波曲線
由于要求陣列天線方位面波束寬度為1°,且副瓣電平為-30dB,所以首先選取單元間距為19mm,并采取Taylor方式進行加權,按照余量設計法原則,選?。?0dB副瓣電平進行設計,得到幅度分布,然后根據(jù)幅度分布計算各子功分器的相關參數(shù)。
陣列天線的饋電網(wǎng)絡可以提供各天線單元發(fā)射或者接收時所需的幅度和相位加權,完成陣列天線的賦形功能。在實際設計中,一般采取功分器通過網(wǎng)絡級聯(lián)的形式來完成整個功分網(wǎng)絡的設計。功分器有很多形式,如混合型功分器、分支線功分器等,應根據(jù)一定原則結合實際情況進行選取。本項目中,選取原則主要是以下幾個:(1)插損要?。唬?)隔離度要高,相鄰端口間隔離度至少-25dB;(3)結構簡單,便于調試設計,便于批量化生產。
單元功分器選取了工程上應用較多的Wilkson功分器形式,其基本結構如圖3所示。
圖3 Wilkson功分器結構圖
在設計功分器的時候,首先根據(jù)具體要求選取寬帶或者窄帶功分器,本文中選取了寬帶功分器,需要兩級阻抗變換段。圖3中所示的就是其原理圖。
在已知端接阻抗Z0,Z1,Z2和功分比情況下,設計功分器的計算公式為[2]:
式中:P2為端口2的輸出功率;P1為端口1的輸出功率。
任意功分比的一分二功分器設計步驟為:
(1)根據(jù)功分比計算k2;
(2)根據(jù)Z0,Z1,Z2和k2計算特性阻抗Z12、Zo1、Zo2、Zt1、Zt2及隔離電阻值;
(3)計算特性阻抗對應的線寬;
(4)電磁軟件仿真計算,得到結構尺寸。
仿真好單個功分器后就要建立適當?shù)耐負浣Y構,拓撲結構的選取需要考慮到后接功分比不能大于2.5,否則就難以實現(xiàn)。
由于本雷達天線有2.4m長,考慮到國內微帶板的加工能力一般最大為600mm,故在設計之初就要進行仔細的劃分,經(jīng)過認真的計算、篩選,最終選取了如圖4~圖7所示的拓撲結構。
圖4 一分十九拓撲結構圖
圖5 一分八拓撲結構圖
圖6 一分九拓撲結構圖
圖7 一分十二拓撲結構圖
考慮到對稱因素,另一半和這一部分是對稱設計的,只需要翻轉即可,然后通過一個一分八的功分器相連完成整個網(wǎng)絡的設計。
根據(jù)圖4~圖7得到的拓撲結構圖,計算每個功分器的相關參數(shù),并通過電磁仿真軟件仿真優(yōu)化。由于整個功分網(wǎng)絡是通過級聯(lián)而成的,需要保證每個功分器:
(1)輸入輸出口駐波均在1.14以下;
(2)插損小于0.1;
(3)各端口隔離度小于-25dB。
由于該天線是電大尺寸的,需要軟件協(xié)同仿真,本文利用Ansoft hfss與Ansoft designer協(xié)同仿真,得到了符合要求的功分器。圖8為仿真模型,圖9為仿真的駐波曲線。
圖8 協(xié)同仿真的模型
圖9 協(xié)同仿真的功分器各端口駐波
由圖9可以看出,整個大型功分網(wǎng)絡駐波在頻帶內最大為1.48,輸入端口駐波為1.3,各端口相位在頻帶內誤差為6°,幅度誤差為0.2dB。
實踐表明,天線與功分網(wǎng)絡一體化設計既便于調試生產,也便于實現(xiàn)低副瓣甚至超低副瓣。
把功分網(wǎng)絡和天線單元連接后,需要調節(jié)振子饋電線的長度來調節(jié)輸入端駐波比,反復幾次優(yōu)化后可以達到預定的駐波要求。
由于該天線長度是電大尺寸,現(xiàn)有的計算機無法滿足計算需要,故首先根據(jù)協(xié)同仿真得到幅度和相位分布,然后編程計算天線的方向圖。雖然這種方法沒有考慮互耦的影響,經(jīng)驗表明,只要功分網(wǎng)絡的幅相在一定的誤差范圍內,由其饋電的天線行的副瓣等指標是可以滿足要求的。圖10~圖12是子天線的CAD圖。
圖10 一分十九天饋一體化CAD圖
圖11 一分十七CAD圖
圖12 一分十二CAD圖
提取出協(xié)同仿真的數(shù)據(jù),用Matlab計算了3個頻點的方向圖數(shù)據(jù),如圖13~15所示。
圖13 下邊頻方向圖數(shù)據(jù)
圖14 中心頻率方向圖數(shù)據(jù)
圖15 上邊頻率方向圖數(shù)據(jù)
從計算數(shù)據(jù)可以看出,在頻帶范圍內,天線的副瓣均在-35dB以下,跟理論設計的-38dB相差不大,接上天線后考慮互耦影響,天線的副瓣在-33dB以下,滿足指標要求。
本文介紹的設計一體化陣列天線的技術,是常規(guī)的設計天饋一體化的方法,若計算機內存足夠大,是可以完成整體仿真的。
[1]劉新瓊.S波段大型功分饋電網(wǎng)絡設計[J].空間電子技術,2010(1):101-102.
[2]王鑫亮.S波段賦形陣列天線的研制[M].成都:電子科技大學,2009.