林　鑫，王化宇，吳文友，胡龍飛，黃　一

(上海航天電子通訊設(shè)備研究所，上海 201109)

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一種集成監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的天線陣列一體化設(shè)計(jì)

林鑫，王化宇，吳文友，胡龍飛，黃一

(上海航天電子通訊設(shè)備研究所，上海 201109)

針對數(shù)字陣?yán)走_(dá)中天線陣列與監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)獨(dú)立而導(dǎo)致電纜或者接插件較多的問題，設(shè)計(jì)了一種集成監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的天線陣列。采用縫隙耦合，實(shí)現(xiàn)天線陣列和監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的一體化設(shè)計(jì)，其具有單元級監(jiān)測、高集成和高可靠性等優(yōu)點(diǎn)。在2.8～3.2 GHz帶寬內(nèi)，天線單元以及監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)總口VSWR均小于1.5；天線單元兩維3 dB波束寬度θEθH= 95°×120°；監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)總口到天線單元的插損幅度為-40 dB±1.5 dB，插損歸一化相位為±10°。該設(shè)計(jì)能夠很好地滿足數(shù)字陣?yán)走_(dá)寬角掃描以及內(nèi)檢測校正等使用要求。

天線陣列；監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)；縫隙耦合；一體化設(shè)計(jì)

0　引言

在現(xiàn)代雷達(dá)系統(tǒng)中，特別是數(shù)字相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)中[1]，通道的幅相一致性誤差直接影響數(shù)字波束的形成和目標(biāo)的測角精度[2]，文獻(xiàn)[3-4]均強(qiáng)調(diào)了各通道幅相一致性誤差監(jiān)測校正的重要性。因此，在數(shù)字相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)中，天線陣列與監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)均扮演重要角色。

目前，數(shù)字相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)中，天線陣列和監(jiān)測功分網(wǎng)絡(luò)多為分立的組件，單元級的監(jiān)測一般采用平行耦合線形式[5]，在天線單元饋線出口處耦合出小信號，通過電纜或者接插件連接到一個(gè)監(jiān)測功分網(wǎng)絡(luò)中，用于系統(tǒng)監(jiān)測。其存在2個(gè)缺點(diǎn)：① 由于各組件分立，導(dǎo)致這個(gè)系統(tǒng)中組件較多，且需要考慮各個(gè)組件之間的安裝問題；② 組件之間需要通過電纜或者接插件實(shí)現(xiàn)連接，降低了系統(tǒng)可靠性，提高了成本。

為了解決上述問題，本文提出一種集成監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的天線陣列的一體化設(shè)計(jì)，將天線陣列和監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)集成為一體化陣列，從而實(shí)現(xiàn)單元級監(jiān)測、高集成和高可靠性等優(yōu)點(diǎn)。

1　總體設(shè)計(jì)思路

一體化陣列由3部分組成：天線陣列、監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)和耦合電路部分。其中，天線陣列用于發(fā)射或者接收射頻信號；監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)用于合成耦合自天線單元的小信號；有別于傳統(tǒng)的天線陣列與監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)之間通過電纜或者接插件實(shí)現(xiàn)信號傳輸，本文在天線陣列與監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)之間采用耦合電路，通過縫隙耦合，將天線陣列中的輻射單元饋線中部分小信號耦合到監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，用于監(jiān)測各個(gè)天線單元幅相分布。

2　關(guān)鍵技術(shù)

2.1天線陣列的設(shè)計(jì)

天線陣列由8個(gè)輻射單元組成，如圖1所示。為滿足天線陣列±45°掃描，則天線單元間距d應(yīng)滿足如下公式[6]：

取天線輻射單元振子間距為55 mm，即可滿足陣列±45°掃描。天線輻射單元饋線出口間距為45 mm，以滿足數(shù)字TR組件的安裝。

圖1　天線陣列示意

其中，輻射單元采用印刷偶極子天線，文獻(xiàn)[7-8]詳細(xì)論述了印刷偶極子天線的設(shè)計(jì)。如圖2所示，振子總長L=46 mm，振子寬度W=5.2 mm，振子頂端離反射板距離H=27 mm。

圖2　天線單元示意

中間單元的VSWR曲線和中心頻點(diǎn)輻射方向圖圖3和圖4所示。

圖3　中間單元VSWR

圖4　中間單元E面、H面方向圖

由圖3可看出，該天線單元在2.8～3.2 GHz帶寬內(nèi)的駐波<1.5,其具有良好匹配；3 dB波束寬度θE×θH=95°×120°(其中，θE表示天線E面的3 dB波束寬度，θH表示天線H面的3 dB波束寬度)，這就為數(shù)字陣?yán)走_(dá)天線實(shí)現(xiàn)寬角掃描提供了必要的前提條件。

2.2監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)采用威爾金森功分器結(jié)構(gòu)形式[9]功分器示意圖如圖5所示。其由3級1分2等分功分器組成，其出口間距為55 mm，與天線振子一一對應(yīng)。

圖5　功分器示意

為了提高監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的抗干擾性，功分器采用帶狀線結(jié)構(gòu)[10]，如圖6所示，使用半固化片將2塊介質(zhì)板壓合在一起。不含電路的介質(zhì)板，在焊接隔離電阻處開槽(電阻槽)，用于焊接隔離電阻，以提高各個(gè)端口之間的隔離度。

圖6　功分器結(jié)構(gòu)示意

功分器各個(gè)端口的VSWR和IN口到8個(gè)輸出口的幅相分布的仿真結(jié)果如圖7、圖8和圖9所示。由圖7可得，在2.8～3.2 GHz的帶寬內(nèi)，功分器各個(gè)端口駐波均小于1.3，具有良好匹配，為監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)與耦合電路鏈接奠定良好基礎(chǔ)。

由圖8可得，功分器各個(gè)出口的插損幅度為9.2 dB±0.2 dB。由圖9可得，功分器各個(gè)出口的插損歸一化相位為±0.5°。功分器實(shí)現(xiàn)了等幅同相輸出，滿足監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的使用要求。

圖7　功分器各個(gè)端口VSWR

圖8　功分器各端口插損幅度分布

圖9　功分器各端口歸一化相位分布

2.3耦合電路設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)天線陣列與監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)一體化設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)采用縫隙耦合實(shí)現(xiàn)射頻信號層間耦合，即在天線單元饋線與監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)之間的地板層開H形縫隙耦合槽，其電路結(jié)構(gòu)如圖10所示，其中天線單元饋線與天線振子層/監(jiān)測網(wǎng)路下底板蝕刻在天線基板上。

圖10　耦合電路結(jié)構(gòu)示意

為了實(shí)現(xiàn)天線單元饋線與監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)之間-30 dB的信號耦合，優(yōu)化H形縫隙耦合槽尺寸，最終得到H形縫隙耦合槽參數(shù)如下：W1=0.2 mm，L1=2 mm，W2=0.4 mm，L2=2.8 mm。層間耦合的仿真結(jié)果如圖11所示，其耦合值為-30 dB±1.5 dB，實(shí)現(xiàn)預(yù)期信號耦合。

圖11　層間耦合的仿真結(jié)果

3　一體化陣列實(shí)現(xiàn)以及應(yīng)用分析

如圖12所示，將天線陣列和監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)壓合在一起，集成為一體化陣列。通過H形縫隙耦合槽，將天線單元的饋線上部分小信號耦合到監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的功分接口，并通過功分器合成輸出，用于監(jiān)測天線單元幅相分布。

圖12　一體化陣列結(jié)構(gòu)示意

圖13給出了在2.8～3.2 GHz的帶寬內(nèi)，一體化陣列中各個(gè)天線單元以及監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)總口駐波的駐波，其值均<1.5；天線單元與監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)在圖14和圖15給出了在2.8～3.2 GHz的帶寬內(nèi)，監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)總口到各個(gè)天線單元的插損幅相分布。監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)總口到天線單元的插損幅度為-40 dB±1.5 dB，插損歸一化相位為±10°。上述指標(biāo)均滿足數(shù)字陣?yán)走_(dá)內(nèi)檢測校正使用要求。

圖13　各個(gè)天線單元以及監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)總口VSWR

圖14　監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)總口到天線單元的插損幅度

圖15　監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)總口到天線單元的插損歸一化相位

以本文8單元陣列為例，傳統(tǒng)的天線陣列中的天線單元以及耦合口需16個(gè)接插件，1分8監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)需9個(gè)接插件，共計(jì)25個(gè)，而本文提出的一體化陣列接插件僅需9個(gè)，即天線單元以及監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)總口，大幅度減少了接插件使用；層間耦合技術(shù)的應(yīng)用，天線陣列與監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)了無電纜連接，提高系統(tǒng)可靠性同時(shí)降低了工程成本。

同時(shí)，根據(jù)實(shí)際需求，可以增加或者減少天線陣列上天線單元個(gè)數(shù)，并根據(jù)天線單元個(gè)數(shù)設(shè)計(jì)監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，即可實(shí)現(xiàn)一體化陣列的擴(kuò)充，具有可擴(kuò)充、寬帶、高集成等重要特性。

4　結(jié)束語

本文詳細(xì)介紹了一種集成監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的天線陣列的一體化設(shè)計(jì)。天線單元采用印刷偶極子天線，其帶寬覆蓋2.8～3.2 GHz，3 dB波束寬度為θE×θH= 95°×120°，能夠很好地滿足數(shù)字陣?yán)走_(dá)大角度掃描的需求；通過H形縫隙耦合槽，將天線單元的饋線中部分小信號耦接到監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)中，幅相一致性良好，在實(shí)現(xiàn)單元級的監(jiān)測的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了天線陣列與監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)一體化設(shè)計(jì)，大大減少了監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)與天線單元之間電纜或接插件的連接，提高了系統(tǒng)的可靠性，降低工程成本。

[1]張光義.相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)[M].北京:國防工業(yè)出版社,2001：248-252.

[2]CANTRELL B,DE G J,WILLWERTH F,et al.Develo-pment of a Digital Array Radar(DAR)[J].Aerospace and Electronic Systems Magazine,IEEE,2002,17(3):22-27.

[3]RABIDEAU D J,GALEJS R J,WILLWERTH F G,et al.An S-band Digital Array Radar Testbed[J].IEEE International Symposium on Phased Array Systems & Technology,2003:113-118.

[4]趙紅梅,王華力,牟善祥，等.寬帶DBF系統(tǒng)多通道校正及性能分析[J].無線電通信技術(shù),2008，34(2)：48-50.

[5]吳曼青.數(shù)字陣列雷達(dá)及其進(jìn)展[J].中國電子科學(xué)研究院學(xué)報(bào)， 2006,1(1):11-16.

[6]STUTZMAN W L,THJELE G A.Antenna Theory and Design[M].New York:Wiley Pubulishing,1998.

[7]李麗嫻，胡俊毅，王建中．一種新型C波段輕型低副瓣線陣天線[J].無線電工程，2014，44(10):55-58．

[8]王光輝，馮祖?zhèn)?傘形印刷偶極子輻射單元研究[J].系統(tǒng)工程與電子技術(shù)，1997(2):1-8.

[9]張文梁，丁春艷.多路寬帶帶狀線功率分配器設(shè)計(jì)分析[J].無線電工程,2012,42(7):59-61.

[10]鐘順時(shí).微帶天線理論與應(yīng)用[M].西安:電子科技大學(xué)出版社,1991.

林鑫男，(1983—)，碩士，高級工程師。主要研究方向：天饋線的設(shè)計(jì)。

王化宇男，(1982—)，碩士，工程師。主要研究方向：天饋線的設(shè)計(jì)。

The Integrative Design of an Array Antenna Including Monitoring Network

LIN Xin,WANG Hua-yu,WU Wen-you,HU Long-fei,HUANG Yi

(ShanghaiAerospaceElectronicsandCommunicationEquipmentResearchInstitute,Shanghai201109,China)

In order to reduce the amount of cables and connectors in the digital phased array antenna including array antenna and monitoring network,a novel antenna array integrated with monitoring network is presented in this paper.With aperture coupling,the integrative design of antenna array and monitoring network is highly integrated and reliable.Some technical specifications are achieved:Within the bandwidth range of 2.8～3.2 GHz,the VSWRs of antenna element and monitoring network are both less than 1.5;3 dB beam widthθEθH= 95°×120°;the amplitude of the insertion loss between antenna element and monitoring network:-40 dB±1.5 dB;the normalized phase of the insertion loss:±10°.The design satisfies the application of digital radar wide range scanning and internal monitoring.

array antenna；monitoring network；aperture couple；integrative design

10.3969/j.issn.1003-3106.2016.08.13

2016-05-12

上海航天技術(shù)研究院核攀基金資助項(xiàng)目(ZY2014-023)。

TN015

A

1003-3106(2016)08-0051-05

引用格式：林鑫，王化宇，吳文友，等.一種集成監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的天線陣列一體化設(shè)計(jì)[J].無線電工程,2016,46(8):51-55.