Ku波段一體化開口脊波導陣列天線

(中國電子科技集團公司第三十八研究所孔徑陣列與空間探測安徽省重點實驗室， 安徽合肥 230088)

0 引言

隨著相控陣雷達和通信系統的快速發展，對相控陣天線性能的要求越來越高。特別是基于機載、無人機載、彈載和星載等平臺的相控陣雷達，除了要求相控陣天線具有寬頻帶、寬角掃描、高效率的性能，還要求天線具有小體積、輕重量和高集成度的特點。開口波導天線由于具有體積小、結構緊湊、機械強度好、可靠性高、使用壽命長等優點，并且在波導內腔加載饋電單脊或雙脊可以擴展工作帶寬，同時縮小腔體尺寸，減輕重量，因此成為上述相控陣雷達天線的優選方案之一[1-3]。

由于器件不一致性、制造公差、裝配誤差等多種原因，相控陣天線系統的各通道之間必然存在幅度和相位誤差，所以需要對各通道的幅相分布進行校正補償[4-5]，使整個相控陣天線系統達到設計要求的最佳技術狀態。因此，校正是相控陣天線不可或缺的重要功能。而在雷達工作時，由于器件老化、熱變形和組件更換等因素也會帶來通道間的幅相誤差，為確保相控陣天線性能的可靠性和穩定性，還需要對相控陣天線系統進行必要的實時校正，這就要求相控陣天線具有內校正功能。

然而，對于寬帶寬角掃描的平面陣列天線，受最大掃描角時方向圖不出現柵瓣的限制，對天線單元間距有特定的要求。特別是對于工作在較高頻段、二維大角度掃描的陣列天線，例如工作在Ku頻段、二維掃描范圍±60°的陣列天線，其單元間距僅為幾個毫米。這么小的單元間距對相控陣天線的集成度設計提出了很高的要求，而在小單元間距天線中集成內校正通道更成為相控陣天線設計和加工的難點。

為了實現高頻寬帶工作、二維寬角掃描、輕小型化且具有內校正功能的相控陣天線陣列，本文設計了一種集成內校正通道的Ku波段一體化開口脊波導陣列天線。該天線采用底部同軸連接器饋電，可實現寬帶二維寬角掃描，并在開口波導底部設置耦合槽和校正波導，實現了集成內校正通道的一體化天線設計。

1 天線設計

為了滿足某雷達方位向±60°、俯仰向±60°的二維寬角掃描要求，根據矩形柵格天線單元間距的計算公式(1)[6]，天線單元間距定為9 mm(方位向)×9 mm(俯仰向)。在該單元間距內要求天線在Ku波段具有2 GHz的工作帶寬，并具備內校正功能，這就要求天線具有很高的集成度。

(1)

式中，λ為天線的最小工作波長，θmax為天線偏離陣面法向的最大掃描角，N為該方向的天線單元數。

為了適應惡劣的雷達工作環境，本天線形式選用機械強度好、可靠性高、使用壽命長的開口波導，其結構模型如圖1所示。為了擴展天線的工作帶寬并充分壓縮開口波導的腔體截面尺寸以滿足單元間距的要求，在開口波導前后兩壁設置兩個方形脊。天線單元由開口波導底部的同軸連接器饋電，在其中一個脊上設置階梯狀的過渡匹配段，以實現同軸線與脊波導之間基模的轉換。通過調整波導脊和過渡匹配段各階梯結構的尺寸，可以改變開口波導天線的輻射阻抗使其與空間波傳輸阻抗匹配；由于過渡匹配段為漸變的階梯狀結構，可以使天線的輻射阻抗變化比較平緩，從而具有寬帶工作性能，且容易加工制造。在相鄰兩個開口波導天線的公共壁上設置扼流槽(扼流槽深度為自由空間中心波長的四分之一)，以抵消面電流，減小相鄰天線單元之間的互耦，從而提高天線的寬角掃描性能。

圖1 開口波導天線結構模型圖

校正波導設置于相鄰兩列天線單元中間的下方，采用脊波導形式以壓縮尺寸。在每個開口波導底部的側邊設置耦合槽，使開口波導天線和校正波導連通，天線的一小部分射頻功率將耦合到校正波導中，形成陣列天線的內校正通道。校正波導兩端設置同軸連接器，實現波導同軸變換功能，提供內校正信號的輸入輸出接口。相鄰兩列天線單元的耦合槽對稱設置，則一條校正波導通過兩列耦合槽與相鄰的兩列天線單元連通，可以作為相鄰兩列天線單元的校正通道，從而使小單元間距的相控陣天線具有內校正功能。

由于單元間距很小，如果采用常規設計，則沒有足夠的空間用于布局校正波導。為了解決此問題，將開口脊波導天線的饋電連接器偏離中心設置，且相鄰兩列天線的連接器對稱設置，為校正波導讓出足夠的空間。則校正波導和饋電連接器在平面上交錯排列，合理布局，結構緊湊，不需要額外增加天線的整體剖面高度，實現了高集成度的一體化設計。開口波導天線的饋電連接器偏置可能會在同軸波導變換處引起額外的高次模，但只要開口波導天線具備一定的高度，高次模將迅速衰減，不會向空間輻射。天線的饋電連接器采用SMP形式，可以和后端的有源模塊(如T/R組件等)直接盲配互連，采用去電纜化設計，使系統結構緊湊，同時減小饋線損耗，可以提高天線效率和系統集成度。

2 仿真及測試結果

在上述天線單元設計的基礎上，設計了8×8單元的一體化開口脊波導天線小陣，通過高頻電磁仿真軟件HFSS對天線單元和陣列進行了建模和仿真優化設計。設計和制造出的集成內校正通道的一體化開口脊波導天線陣面如圖2所示，采用多層鋁板分別數控加工再整體真空釬焊的工藝方式，其截面尺寸約為100 mm×100 mm(含結構安裝框架)，其剖面高度約為22 mm(含SMP連接器和校正波導)，可滿足雷達系統的實際使用要求。

圖2 天線陣面實物照片

天線單元帶內電壓駐波比的仿真和測試結果如圖3所示，由于工作頻段較高，對尺寸公差比較敏感，受加工制造誤差的影響，實測結果與仿真曲線相比略有抬高，趨勢基本吻合。在2 GHz工作帶寬內的駐波小于1.8，在14.95～17.15 GHz帶寬內的駐波小于2，相對帶寬約為14%。內校正通道耦合度的測試結果如圖4所示，工作帶寬內的校正耦合度為-36～-40dB，與仿真結果相吻合，滿足實際使用要求。

圖3 天線單元駐波曲線

圖4 校正耦合度測試曲線

在室內平面近場暗室中，對該天線陣面的輻射方向圖進行了測試，采用均勻加權的陣面幅度分布，其中心頻率16 GHz在方位和俯仰兩個主面的典型方向圖如圖5所示。由于方位向和俯仰向的單元間距和單元數相同，因此兩個方向的方向圖基本相同。其法向方向圖的副瓣電平小于-12.5 dB，3 dB波束寬度約為12.5°；測得天線陣面增益約為21.8 dB，與天線方向性系數相比較可計算出的天線輻射效率為81.7%。

同時，分別測試了方位向和俯仰向掃描30°，45°，60°的方向圖，如圖5所示，驗證了本天線具有二維掃描±60°的能力。由于本天線陣面的單元數較少，容差能力較弱，因此在大角度掃描時波束較寬且略有變形，同時副瓣電平有所抬高(不大于-10 dB)。受天線單元因子的調制作用，在大角度掃描時，波束指向略往法向偏移；在對波束指向精度要求高的場合應用時，該偏移可以在暗室測試時通過相位補償的方法使波束指向得到修正。

(a)方位向方向圖

(b)俯仰向方向圖圖5天線陣面方向圖測試結果(頻率16 GHz)

3 結束語

本文設計了一種集成內校正通道的Ku波段一體化開口脊波導陣列天線，采用包含漸變階梯狀過渡匹配段的開口脊波導形式，充分壓縮其截面尺寸，實現了寬帶、二維寬角掃描的工作性能；并將饋電連接器偏離中心設置，在開口脊波導的底部設置耦合槽以及校正波導，在小單元間距的陣列天線中集成了內校正通道，使其具有了內校正功能，實現了一體化的高集成度設計。仿真和實測結果表明該天線駐波小于2的相對帶寬約為14%，實現了方位向和俯仰向±60°的二維寬角掃描，天線輻射效率優于80%。本天線具有結構緊湊、體積小、重量輕、機械強度好、可靠性高、使用壽命長的優點，特別是其集成度高，可以有效提高平臺利用率，適合作為機載、無人機載、彈載和星載等平臺的相控陣天線。

[1] GAO W J, JIAO J J, HAN Y Z, et al. A Compact Broadband Ridged-Square-Waveguide Radiating Element for Phased Array Antennas in Synthetic Aperture Radar Applications[J]. Microwave and Optical Technology Letters, 2012, 54(3):829-833.

[2] 張洪濤,汪偉,張智慧,等. 一種新穎的圓極化波導陣列天線設計[J]. 雷達科學與技術, 2014, 12(3):329-332.

[3] 劉亞奇,尹建勇. 一種小型化寬帶圓極化開口波導天線[C]∥全國微波毫米波會議, 上海：中國電子學會微波分會, 2015:502-504.

[4] 魯加國,吳曼青,陳嗣喬,等. 基于FFT的相控陣雷達校準方法[J]. 電波科學學報, 2000, 15(2):221-224.

[5] LI F X, YANG J, CHEN J Y. Research on Onboard Amplitude and Phase Measurement for Phased Array Antenna Calibration[C]∥IEEE 11th International Conference on Electronic Measurement and Instruments, Harbin:IEEE, 2013:488-491.

[6] MAILLOUX R J. Phased Array Antenna Handbook[M]. London:Artech House, 2005:27.