符 友, 高 帆

(1.中電科技揚(yáng)州寶軍電子有限公司, 江蘇 揚(yáng)州 225003； 2.湖北航天技術(shù)研究院總體設(shè)計(jì)所, 武漢 湖北 430037)

雷達(dá)往往是利用被偵查目標(biāo)的反射信號(hào)進(jìn)行目標(biāo)的探測(cè)，其主要測(cè)量信息是方向和距離。方向的準(zhǔn)確性依賴于雷達(dá)波束寬度的大小，波束越窄，其方向精度越高[1]。天線的波束寬度依賴于天線的有效面積，對(duì)于車載機(jī)載類的雷達(dá)是很難利用大口徑天線實(shí)現(xiàn)窄波束的，但是，可以結(jié)合陣列天線“和”、“差”兩種方向圖不同的特性，采用和差抑制的辦法，不依賴大口徑天線而精確地判斷目標(biāo)方向。

多陣元天線的“和方向圖”的第一付瓣和 “差方向圖”的兩個(gè)主瓣容易在同一個(gè)方向上，或者在接近的方向上。“和差方向圖”處理目標(biāo)的方向的基本特點(diǎn)是“和”路發(fā)現(xiàn)目標(biāo)，而“差”路沒有發(fā)現(xiàn)目標(biāo)，則判定目標(biāo)是在天線陣列的主方向上。這就需要抑制“和”方向圖的付瓣，避免出現(xiàn)“和”、“差”兩路均發(fā)現(xiàn)目標(biāo)，影響目標(biāo)方向的偵查。

天線在L波段利用微帶天線進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，L波段是項(xiàng)目規(guī)定使用的頻段。微帶天線陣列雖然可以實(shí)現(xiàn)低剖面，但是其窄帶的特點(diǎn)限制了它的使用范圍。許多天線學(xué)者投入了展寬帶寬的研究，并取得了很多成果。以降低Q值[2]為代表的方法主要有增加介質(zhì)厚度、降低介電常數(shù)以及微在輻射貼片周邊加載寄生貼片和缺陷地結(jié)構(gòu)[3-4]；也有采用耦合饋電增加輻射電感，電抗分量來改善饋線匹配[5]、采用層疊結(jié)構(gòu)來拓展工作頻點(diǎn)[6]等。

本文設(shè)計(jì)的陣列天線工作在L頻段，在工作帶寬需達(dá)到相對(duì)帶寬14% 的基礎(chǔ)上還有低副瓣、低剖面、輕量化的要求，綜合考慮決定采用以雙層介質(zhì)板中間間隔空氣層結(jié)構(gòu)的微帶天線作為陣列天線的陣元，并運(yùn)用該陣元設(shè)計(jì)了一種1×8陣元的微帶陣列天線。由于該陣元采用電磁耦合的形式擴(kuò)展天線帶寬，在組陣時(shí)陣元間的互耦相對(duì)一般的天線陣元較強(qiáng)，特別對(duì)陣列天線H面的副瓣指標(biāo)影響較大，在比較了輻射陣元間加載的電磁場(chǎng)帶隙 (electromagnetic band gap，EBG)結(jié)構(gòu)[9-10]、使用金屬腔體隔離微帶陣元[11]等降耦方法后，采用在天線陣元間加載金屬隔板的方法以減低天線陣元互耦強(qiáng)度，使天線陣元的幅相特性接近理論設(shè)計(jì)值，確保天線的副瓣指標(biāo)得以實(shí)現(xiàn)。對(duì)天線進(jìn)行了仿真、優(yōu)化后進(jìn)行了實(shí)物制作。

1 天線設(shè)計(jì)

1.1 天線形式

天線采用和差體制天線，垂直極化方式，天線形式的示意圖分別如圖1和圖2所示。天線尺寸為1 000.0 mm×220.0 mm×24.0 mm。為了控制付瓣電平，采用非均勻幅度的饋電方式進(jìn)行饋電，以控制副瓣電平達(dá)到-24 dB的設(shè)計(jì)要求。

圖1 天線示意圖

圖2 天線前側(cè)面局部示意圖

為了達(dá)到設(shè)計(jì)要求的尺寸，每個(gè)天線陣元與相鄰陣元緊緊貼近在一起，陣元之間互耦嚴(yán)重，會(huì)引起陣元的阻抗、方向圖等指標(biāo)惡化。為消去互耦的影響，一般有在輻射陣元間加載EBG結(jié)構(gòu)、使用金屬腔體隔離微帶陣元等方法。但因天線工作頻率在L頻段，陣元尺寸較大，加載EBG結(jié)構(gòu)提高了安裝結(jié)構(gòu)的復(fù)雜度。而使用金屬腔體隔離又帶來了天線整體重量上升，與天線輕量化的設(shè)計(jì)初衷相悖。考慮到天線陣元工作極化為垂直極化，采用僅在天線陣元間垂直于水平方向上插入金屬隔板來代替金屬腔體，以期達(dá)到陣元間電磁去耦的效果。

1.2 天線陣元

天線陣元采用雙層微帶天線“倒置”結(jié)構(gòu)，下層輻射貼片為饋電元，上層輻射貼片為寄生元(如圖3所示)。上下兩層均采用介電常數(shù)εr=2.6，厚度h1=2.0 mm的聚四氟乙烯板材，使用介質(zhì)柱支撐，中間空氣層高度h1=15.0 mm。依據(jù)微波傳輸線理論[12-13]的微帶貼片尺寸的計(jì)算公式

式中：c為光速；fr為工作頻率；εr為介質(zhì)板介電常數(shù)；εe為等效介電常數(shù)，Δl為貼片等效延伸長(zhǎng)度。計(jì)算出下層介質(zhì)板上的微帶貼片尺寸98.9 mm×82.3 mm,對(duì)應(yīng)的工作頻點(diǎn)略大于天線工作中心頻率f0，上層微帶貼片尺寸W2=112.9 mm×92.1 mm,對(duì)應(yīng)的工作頻點(diǎn)略小于天線工作中心頻率 ，通過下層微帶貼片輻射耦合上層的微帶貼片，這樣通過在工作頻段內(nèi)形成兩個(gè)諧振頻率點(diǎn)，當(dāng)兩個(gè)諧振頻率點(diǎn)互相靠近時(shí)，形成了在工作頻帶內(nèi)有兩個(gè)波谷的駐波比圖形，進(jìn)而將小于2.0的駐波比頻帶擴(kuò)展開來。

這種通過空間耦合將天線陣元的駐波帶寬展寬的工作方法在遇到附近有其他電磁干擾時(shí)，其本身的駐波比和方向圖易被干擾導(dǎo)致性能下降，故需增加去耦的金屬隔板。將3個(gè)相鄰陣元進(jìn)行聯(lián)合仿真，采用Ansoft HFSS仿真軟件進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)。仿真模型如圖3所示，并在仿真中插入金屬隔板，在仿真中不斷調(diào)整變量，最后經(jīng)調(diào)整的金屬隔板長(zhǎng)、寬尺寸為124.0 mm×18.0 mm。中間陣元的電壓駐波比仿真圖如圖4所示。可以看到整個(gè)工作頻帶內(nèi)電壓駐波比小于1.5。

1.3 饋電網(wǎng)絡(luò)

饋電網(wǎng)絡(luò)由和差器和兩邊對(duì)稱的一分四不等功分器組成。饋電網(wǎng)絡(luò)的電流幅度分布采用按-26 dB副瓣電平的talyor級(jí)數(shù)展開[14]，天線和波束需要天線各個(gè)陣元輸出同相，差波束需要天線左右輸出相位反相。據(jù)此得出各陣元的饋電幅度的歸一化電平值。

使用了εr=2.6，厚度h3=1 mm的聚四氟乙烯介質(zhì)板，并根據(jù)表1中各個(gè)陣元端口的饋電電流幅度的比值設(shè)計(jì)了一分四不等功分器，同時(shí)使用了180 °混合環(huán)設(shè)計(jì)了和差器, 所設(shè)計(jì)的饋電網(wǎng)絡(luò)如圖1 中所示。

圖3 天線陣元仿真模型

圖4 天線陣元電壓駐波比仿真結(jié)果

表1 天線陣列的幅相分布(以第4號(hào)陣元?dú)w一化值)

2 天線測(cè)試

制作加工了天線實(shí)物，天線陣元厚度為24.0 mm，裝配天線罩及結(jié)構(gòu)件后天線整機(jī)高度為40.0 mm，整機(jī)的重量為3.8 kg。天線整機(jī)的電壓駐波比見圖5所示，可以看出在整個(gè)工作頻帶內(nèi)，和、差通道的駐波比小于2，工作帶寬達(dá)到了相對(duì)帶寬的16 %以上。在微波暗室對(duì)天線進(jìn)行了測(cè)試，中心頻率f0處加載金屬隔離板后的和波束H面歸一化方向圖與未加載隔板時(shí)的對(duì)比如圖6所示，上下兩個(gè)邊頻出的結(jié)果與此相仿。可以看出在天線陣元間加載金屬隔板后，天線的H面副瓣電平均小于-24 dB，達(dá)到了指標(biāo)的要求。

圖5 和差兩路通道電壓駐波比測(cè)試結(jié)果

圖6 和路中心頻點(diǎn)f0時(shí)天線H面方向圖

3 結(jié)語

通過采用雙層微帶天線形式和加載金屬隔板的方法，在天線提出低剖面，低H面副瓣電平的情況下，最終設(shè)計(jì)、制作了一款1×8陣元組成的微帶陣列天線。該天線在裝配天線罩后的高度只有空間工作波長(zhǎng)λ0的0.16倍；并在16%的相對(duì)帶寬內(nèi)駐波比小于2.0；天線的H面副瓣電平在工作帶寬的上、下邊頻和中間頻點(diǎn)處均低于-24 dB，滿足了天線結(jié)構(gòu)低剖面和H面副瓣電平的要求。