一種新型C波段輕型低副瓣線陣天線

李麗嫻，胡俊毅，王建中

(上海航天電子通訊設(shè)備研究所，上海201109)

0 引言

相控陣?yán)走_(dá)天線的低副瓣性能是雷達(dá)系統(tǒng)的一個(gè)重要指標(biāo)［1］。在現(xiàn)代化戰(zhàn)爭中，雷達(dá)在探測目標(biāo)的同時(shí)，又面臨著嚴(yán)重的電子干擾、強(qiáng)雜波背景、反輻射導(dǎo)彈、隱身目標(biāo)和低空突防等問題。因此，降低雷達(dá)天線的副瓣電平是提高抗電子干擾、抗地物雜波和抗反輻射導(dǎo)彈的有效方法之一。

天線系統(tǒng)的重量是衡量一部雷達(dá)產(chǎn)品的另一個(gè)重要指標(biāo)。降低天線重量可以有效降低運(yùn)載平臺(tái)載荷，降低主軸電機(jī)的功率，減輕陣面搖擺(進(jìn)而提高定位精度)，進(jìn)一步帶動(dòng)減小雷達(dá)相關(guān)部分的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和重量，有利于提高雷達(dá)的機(jī)動(dòng)能力和降低雷達(dá)生產(chǎn)成本。

目前的文獻(xiàn)大都只介紹單元振子與一分三功分器一體化設(shè)計(jì)的小型陣列天線［2］，本文介紹了一種采用準(zhǔn)空氣帶狀線結(jié)構(gòu)、C波段、相對(duì)帶寬18%的低副瓣線陣天線，具有重量輕、可靠性高、集成度高、便于制造和裝配的特點(diǎn)，是一種較為理想的線陣結(jié)構(gòu)方式。

1 天線單元分析

在相控陣天線單元的選擇中，較多采用具有寬帶特性的微帶傘形印刷偶極子天線單元［3－5］。在本設(shè)計(jì)中，采用準(zhǔn)空氣帶狀線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了一種新型偶極子天線，如圖1所示。

圖1 天線單元分層結(jié)構(gòu)

圖1中，3是巴倫直接饋電的偶極子印刷電路圖，1和7為上下兩層倒T型金屬接地層，接地層和信號(hào)層之間采用2和4空氣泡沫支撐，整個(gè)結(jié)構(gòu)通過金屬圍框6和螺釘固定。

經(jīng)理論計(jì)算和仿真優(yōu)化設(shè)計(jì)，圖2和圖3給出天線單元的實(shí)測電壓駐波比(VSWR)曲線圖和中心頻點(diǎn)輻射方向圖。可以看出，該天線單元的阻抗帶寬為40%(VSWR ＜2)，3 dB 波束寬度θE×θH=60°×100°(其中，θE表示天線 E面的半功率波瓣寬度;θH表示天線H面的半功率波瓣寬度)，表明該天線在H面上具有較寬的波束寬度，為相控陣?yán)走_(dá)天線在H面實(shí)現(xiàn)一維寬角掃描提供了必要的前提條件。

圖2 天線單元實(shí)測駐波曲線

圖3 天線單元中心頻點(diǎn)實(shí)測方向圖

2 饋電網(wǎng)絡(luò)分析

在工程設(shè)計(jì)中，采用泰勒綜合法實(shí)現(xiàn)天線低副瓣特性的方法已被廣大設(shè)計(jì)師采用［6，7］。為獲得線陣方位面方向圖副瓣電平SLL≤－25 dB，根據(jù)線陣各單元泰勒分布公式［8］，可獲得n個(gè)端口饋電網(wǎng)絡(luò)的泰勒分布值I。

饋電網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)采用樹狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，以帶狀線形式實(shí)現(xiàn)，由若干個(gè)一分二功分器并聯(lián)構(gòu)成。一分二功分器的設(shè)計(jì)原則是2個(gè)輸出口功分比不能相差太大，否則2個(gè)臂的線寬相差太大，結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)困難，且會(huì)引起幅度相位起伏［9，10］。饋電網(wǎng)絡(luò)示意圖如圖4所示，為了提高仿真速度，建模只畫出一半，另一半完全對(duì)稱。經(jīng)阻抗變換理論計(jì)算和仿真優(yōu)化設(shè)計(jì)，在工作頻帶((fH－fL)/f0=18%)內(nèi)，使各輸出端口的幅度起伏≤±0．5 dB，歸一化相位起伏≤±5°。

圖4 饋電網(wǎng)絡(luò)

3 線陣一體化設(shè)計(jì)分析

如果直接將上述單元和饋電網(wǎng)絡(luò)集成，所得線陣方向圖的副瓣性能顯著惡化，天線的第1副瓣電平僅約－18 dB。分析其原因:線陣天線腔體諧振、天線單元間的互耦作用以及單元/饋網(wǎng)之間的阻抗失配，均可能改變幅相分配規(guī)律，導(dǎo)致天線副瓣電平性能惡化。因此，采用一體化設(shè)計(jì)可有效降低線陣的副瓣電平［11，12］。

為抑制腔體諧振，天線饋網(wǎng)部分采用金屬隔腔，將各帶狀線互相隔開，如圖5所示，在有效阻隔平行饋線間互耦的同時(shí)，還能破壞腔體的諧振條件。實(shí)測天線的副瓣電平降低至－24 dB以下，說明此方法是有效的。但該方法的缺點(diǎn)是金屬隔腔顯著增加了線陣的重量、加工成本和加工周期。為此，采用在饋電網(wǎng)絡(luò)間加金屬隔條來減小腔體體積，在電路間增加金屬柱來破壞規(guī)則形狀封閉腔的方法，同樣可以有效地消除諧振，降低副瓣電平。

圖5 金屬隔腔形式線陣的結(jié)構(gòu)

針對(duì)單元間互耦可能引起的副瓣電平性能惡化問題，在本設(shè)計(jì)中，提出在單元間的金屬地板上增加隔離墻，如圖6線陣實(shí)物圖中天線頭部分短金屬片所示。實(shí)驗(yàn)表明可以有效地降低單元間互耦影響，使天線單元間的隔離度增大12 dB。

饋電網(wǎng)絡(luò)的功率分配比是按各端口匹配進(jìn)行設(shè)計(jì)的，由于天線單元與饋電網(wǎng)絡(luò)連接時(shí)或多或少存在阻抗失配，這將改變網(wǎng)絡(luò)的功率分配比和相位線性規(guī)律，尤其對(duì)本天線低旁瓣的設(shè)計(jì)要求影響明顯。因此，整體設(shè)計(jì)中采用了一體化仿真模型，通過調(diào)整單元和饋網(wǎng)間的匹配線長，消除失配影響。

圖6 線陣實(shí)物

4 線陣加工測試

在實(shí)際應(yīng)用中，對(duì)于常規(guī)的微帶線陣，需在饋電網(wǎng)絡(luò)中粘貼吸波材料來解決諧振問題，由此增加了天線的重量和成本，并且在長期使用中，由于膠的老化可能導(dǎo)致吸波材料脫落。此外，微帶天線處于一個(gè)開放場中，易受外界干擾。本線陣除輻射單元外，其余電路均由鋁板封裝，具備較強(qiáng)的抗電磁干擾能力，實(shí)際產(chǎn)品中線陣外圍包有0．5 mm厚的玻璃布，具有三防功效，由此略去了以往相控陣天線研制中所使用的大天線罩，實(shí)現(xiàn)天線輕型化的同時(shí)，使拆裝方便，提高了產(chǎn)品的可維護(hù)性。

通過矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對(duì)本設(shè)計(jì)的行饋天線產(chǎn)品進(jìn)行駐波比測試，如圖7所示。在工作頻帶((fH－fL)/f0=18%)內(nèi)，端口1和端口2的駐波均小于1．5。

圖7 線陣輸入端口駐波曲線

在線陣兩輸入端口上接一個(gè)等幅同相的一分二功分器對(duì)天線進(jìn)行方向圖測試，實(shí)測結(jié)果如圖8所示。圖8中給出了在工作頻帶內(nèi)，每頻率點(diǎn)間隔100 MHz所測得的E面方向圖，可看出在頻帶內(nèi)線陣的副瓣電平均小于－27 dB，其中低、中和高3個(gè)頻點(diǎn)的3 dB半功率波瓣寬度分別約為3．5°、3．34°和3．17°，方向圖副瓣電平分別為 －28．5 dB、－27．6 dB和－29 dB。

圖8 線陣在不同頻點(diǎn)上的測試方向圖

5 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)的26單元C波段線陣在相對(duì)帶寬18%內(nèi)輸入駐波小于1．5，重點(diǎn)是對(duì)天線和饋電網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究，通過理論分析和實(shí)驗(yàn)比較，獲得了實(shí)測副瓣電平小于－27 dB的低副瓣特性。該線陣采用準(zhǔn)空氣帶狀線形式，較以往的微帶結(jié)構(gòu)形式，具有輕型化、高可靠性和更強(qiáng)的抗干擾性特點(diǎn)。整條線陣采用了模塊化的設(shè)計(jì)思路，結(jié)構(gòu)緊湊，且不需要外加天線罩，便于拆裝，提高了天線的可維護(hù)性，目前該線陣已成功研制并使用于相控陣?yán)走_(dá)天線。

［1］ 張光義．相控陣?yán)走_(dá)原理［M］．北京:國防工業(yè)出版社，2009:60－72．

［2］ 秦 浩．一種一體化設(shè)計(jì)的陣列天線單元［J］．雷達(dá)科學(xué)與技術(shù)，2006，6(4):246 －247．

［3］ 王光輝，馮祖?zhèn)ィ畟阈斡∷⑴紭O子輻射單元研究［J］．系統(tǒng)工程與電子技術(shù)，1997(2):1－8．

［4］ 陳 盼，曹祥玉，高 軍．一種寬頻帶低交叉極化傘形印刷振子陣列天線［J］．西安電子科技大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2010，37(5):966－970．

［5］ WEN Yuan，XUE Zhang － hui，YANG Shi－ ming，et al．Design and Analysis of a 3 GHz Printed Dipole Antenna［J］．International Conference on Microwave and Millimeter Wave Technology Proceedings，2004，24(3):69－71．

［6］ 張 旺，王黎莉，伍 洋．基于遺傳算法的陣列天線綜合及分析［J］．無線電通信技術(shù)，2011，37(4):28 －30．

［7］ 徐秀成，劉 強(qiáng)．基于FFT變換的陣列天線低副瓣方向圖［J］．無線電通信技術(shù)，2009，35(6):34 －36．

［8］ 汪茂光，呂善偉，劉瑞祥．陣列天線分析與綜合［M］．西安:電子科技大學(xué)出版社，1989:87－93．

［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］韓 琳，唐 璞，徐風(fēng)清．C波段大型功分饋電網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)［J］．電子科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，36(2):220 －222．

［11］張肇儀，周樂柱．微波工程［M］．北京:電子工業(yè)出版社，2007:211－219．

［12］雍愛平．C波段一維有源相控陣天線設(shè)計(jì)［D］．成都:電子科技大學(xué)，2009．