一種低剖面帶狀線結構的一體化陣列天線設計

邵曉龍，楊薛軍，李麗嫻,林 鑫，陳冬宇

(1.上海航天電子通訊設備研究所，上海 201109；2.駐上海航天局804所軍代室，上海 201109)

一種低剖面帶狀線結構的一體化陣列天線設計

邵曉龍1，楊薛軍2，李麗嫻1,林 鑫1，陳冬宇1

(1.上海航天電子通訊設備研究所，上海 201109；2.駐上海航天局804所軍代室，上海 201109)

基于陣列天線小型化的設計需求，設計了一種低剖面帶狀線結構的一體化陣列天線。天線采用帶狀線結構，利用兩排均勻分布的金屬化通孔充當帶狀線之間的金屬隔離墻，并通過對雙面印刷偶極子天線、饋電網絡以及監測網絡的一體化設計來實現的一款低剖面陣列天線。天線高度僅70 mm，滿足在C波段18%的相對帶寬內獲得-28 dB的低副瓣性能。該一體化陣列天線具有結構緊湊、重量輕、可靠性強和監測功能等優點，便于和有源器件集成。同時，該天線滿足實際使用要求，其設計思路和設計方法具有很好的可擴展性。

低剖面；帶狀線；雙面印刷偶極子；一體化設計

Abstract Based on the design requirement of array antenna miniaturization,a low-profile stripline integrative array is designed in the paper.The low-profile stripline array is realized by using two rows of evenly distributed through-holes as metal isolation wall between striplines and by the integrative design of the double-faced printed dipole antenna,feeding network,and monitoring network.On the basis of achieving a very low level of sidelobe of -7 dB in the operating band，the height of antenna is only 70 mm.The integrative array antenna facilitates the integration with the active components featuring compact structure,light weight,high reliability and monitor function.At the same time,the antenna meets the requirements of the practical application,and its design idea and method are of great expansibility．

Key words low-profile;stripline;double-faced printed dipole;integrative design

0 引言

隨著現代相控陣雷達技術的不斷發展,要求陣列天線做到輕量、性能可靠。采用天饋一體化設計，避免天線單元與功分器相互之間采用的電纜連接,結構緊湊,集成度高,便于制造和裝配,可大大降低成本,增加天線的可靠性能;同時一體化設計還適合于用印刷電路技術大批量生產,是用于大型天線陣的一種理想結構形式。在采用一體化設計的基礎上，目前大量文獻采用了帶狀線結構設計,但大都使用多層結構來實現。其中文獻[1]采用了5層介質來實現了一種準空氣帶狀線結構設計[1]；文獻[2]采用了3層介質設計了一種帶狀線結構線陣天線[2]；文獻[3]采用了2層結構完成了一種帶狀線結構的陣列天線設計[3]。這樣會在安裝過程中引入裝配誤差，在長期的使用過程中不同介質層之間也有產生縫隙的風險。同時，只能在饋電網絡尺寸和天線性能尋找一個平衡，不能解決低剖面下的帶狀線之間的耦合影響。本文將天線單元、饋電網絡和校正網絡統一采用帶狀線結構，并利用兩排均勻分布的金屬化接地孔充當帶狀線之間的金屬隔離墻進行一體化設計，從而實現了天線的低剖面，極大地降低了天線的高度和減小了整個陣面的重量。同時，該天線具備結構緊湊、集成度高、可靠性強和校正功能等優點。

1 關鍵技術

1.1 天線單元

印刷偶極子天線主要有3種饋電結構形式[4]：微帶耦合饋電巴倫結構[5]、帶狀耦合饋電巴倫結構和帶狀混合環直接饋電巴倫結構。采用微帶耦合饋電形式，損耗比較大，其電性能也很容易受外界復雜電磁環境的影響，而帶狀混合環巴倫結構僅限用于窄帶系統。最終選擇了一種帶狀耦合饋電巴倫結構的單元天線，并且采用雙面輻射振子結構，不僅可獲得較寬的帶寬及良好的方向圖特性，并且這種結構形式更容易和帶狀線結構的功分器實現一體化設計[6]。

本文所采用的雙面印刷偶極子天線由2層厚度為1.5 mm的介質上下印刷偶極子天線、中間印刷巴倫饋電網絡組成。在利用簡單的傳輸線理論，并對平衡饋電巴倫結構進行等效電路分析的基礎上，對帶狀線饋電巴倫結構的特性阻抗、線長和線寬等參數進行初步設計計算，并通過仿真對各個參數進行優化設計，最終得到陣子天線的具體尺寸為h=14 mm，h1=8.5 mm，h2=8.5 mm，h3=11 mm，w1=0.4 mm，w2=1 mm，w3=2.5 mm，w4=7.6 mm，w5=3 mm，其結構如圖1所示。

圖1 天線單元結構

經理論計算和仿真優化設計，天線單元的駐波(VSWR)仿真曲線和單元輻射方向圖如圖2和圖3所示。由仿真結果可知，在工作頻帶內的駐波系數小于1.3，低頻點和高頻點處的3 dB 波束寬度θE>80°，θH>60°(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，為相控陣雷達天線在H面實現一維寬角掃描提供了必要的前提條件。

圖2 駐波仿真曲線

圖3 天線單元E面和H面方向圖

1.2 饋電網絡

在工程設計中，采用泰勒綜合法是實現天線低副瓣特性的一種常用方法。根據技術指標要求，并考慮到實際設計加工誤差和單元之間的互耦影響，本文按照-32 dB的副瓣電平進行仿真設計。根據線陣各單元泰勒分布公式[7]，計算各個端口的泰勒分布值[8]。由于32個端口的饋電電流中心對稱，經歸一化后得到其中16個端口的電流加權分布[9]如表1所示。

本文設計的饋電網絡采用帶狀線形式的樹狀拓撲結構實現，由若干個一分二功分器并聯構成。為獲得較寬頻帶內較小的幅度相位起伏，通過合理設計盡量減少大功分比，同時采用2節變換段來設計。由于對稱性，可只對一半饋電網絡進行設計，并利用隔離墻減小帶狀線之間的互耦影響，以此進行了小型化設計，最終在55 mm的高度內設計了一款1分16功分饋電網絡，其結構示意圖如圖4所示。經阻抗變換理論計算和仿真優化設計，在工作頻帶((fH-fL)/f0=18%) 內可得最終各個端口的幅度和相位仿真值如圖5所示。

表1 饋電網絡歸一化電流加權分布值

圖4 結構示意

圖5 1分16功分器各端口幅度相位仿真結果

1.3 監測網絡

在大型相控陣天線[10]系統中，為保證天線使用時每條行饋正常工作，在使用之前需要先對每條行饋信號進行監測。本文通過耦合器從每條行饋天線的饋電口耦合出小部分信號的能量，并將各路信號通過后端的合成網絡合成一路監測信號。為了避免監測信號對天線增益的影響，同時保證監測信號的有效性，故要求耦合信號比天線信號低30 dB附近。為了實現行饋天線的一體化設計，本文采用了耦合度為-30 dB的帶狀平行耦合線定向耦合器，經仿真優化可得H=2.06 mm,L=5.8 mm,其結構如圖6所示。在工作頻帶內，耦合度起伏在-30 dB±0.3 dB內，仿真結果如圖7所示。

圖6 平行耦合線定向耦合器結構

圖7 耦合曲線(仿真)

2 線陣一體化設計

如果直接將天線單元、饋電網絡以及監測網絡進行集成處理，仿真得到天線電性能不佳，無法滿足設計指標要求。這是由于天線單元直接的互耦作用以及單元/饋網/監測網絡[11]之間的阻抗失配，改變幅相分配規律，導致天線副瓣電平性能惡化。本文先將32個雙面印刷偶極子輻射單元按42.6 mm等間距排列仿真，在相鄰2個單元中間添加一個寬3 mm、高5 mm的金屬隔離墻，這樣可以有效減小天線單元之間的互耦。同時，功分網絡與天線單元進行一體化設計[12-13]，通過仿真優化，微調節各級阻抗變換段的線寬，解決了天線單元與饋電網絡的阻抗失配問題。取行饋天線中的一段饋電網絡添加監測網絡，通過優化調整平行帶狀線的長度和距離獲得需要的耦合能量，并在饋網和監測網絡之間添加金屬隔離墻，盡量減小監測網絡對行饋天線的影響。通過一步步的仿真優化，最終完成了對行饋天線的一體化設計，此款天線的高度僅為70 mm，其仿真模型如圖8所示。

圖8 天線一體化結構模型

3 線陣實現以及應用分析

行饋天線采用的是帶狀線結構，其是利用半固化片，將上下2塊微帶板粘合為一體，避免了多層結構引入的安裝誤差問題。同時，利用雙排等間距交叉排列的金屬接地過孔代替天線單元、饋電網絡、監測網絡之間的金屬隔離墻，其孔徑為0.5 mm，孔間距為1.5 mm，行距為0.5 mm，由此降低了天線重量和加工成本，且便于大批量生產。線陣外圍包有0.5 mm厚的玻璃布，并采用具有插拔功能的射頻接頭，由此略去了以往相控陣天線研制中所使用的大天線罩，實現天線輕型化的同時，使拆裝方便，提高了產品的可維護性。

通過矢量網絡分析儀對這款行饋天線產品進行輸入口駐波比和耦合口電平繼續測試，其實測結果如圖9所示。在工作頻帶內，2個輸入端口的駐波均小于1.5，2個耦合口電平在30±1.5 dB內，滿足設計要求。

圖9 天線駐波和耦合口電平的實測結果

將一個等幅同相的一分二功分器兩輸出口分別于行饋的2個輸入口連接，并在耦合口與50 Ω匹配負載連接，在緊縮場微波暗室對天線工作頻帶內等間隔的7個頻點(1#～7#)進行方向圖測試，在測試頻點上的天線E面副瓣電平均小于-28 dB，其測試結果如圖10所示。

圖10 陣列天線實測E面方向

4 結束語

本文設計的32單元的一體化陣列天線采用帶狀線結構。經過實測,在C波段相對帶寬18% 頻帶范圍內輸入駐波小于1.5， 副瓣電平小于-28 dB，監測信號電平為30±1.5 dB,滿足了實際使用的要求。這款行饋天線的整體剖面高度小于75 mm，極大地節省了整體陣面的空間，同時降低了制造成本。采用帶狀線結構形式的行饋天線的實測增益與微帶形式相比提高了將近1 dB，在損耗方面有了極大改善。同時在工程上采用印刷電路一體化設計，加工精度高，保證了其電氣性能有很好的一致性，便于大批量生產，工程應用相當廣泛。

[1] 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.

[2] 萬濤，王風.一種帶狀線饋電的新型寬帶印刷偶極子天線[J].電子測量技術,2007,30(12):22-25.

[3] 雍愛平，唐璞，王建.基于帶狀線結構的一體化陣列天線設計[J].空間電子技術，2009(3)：58-61.

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

[5] 周偉華.印制偶極子天線單元的仿真設計[J].現代電子，2000(3):52-56.

[6] 秦浩,李剛.一種一體化設計的陣列天線單元.雷達科學與技術,2006,4(4):246-248.

[7] 林昌祿.天線工程手冊[R].北京：電子工業出版社，2002.[8] WARREN L.Antenna Theroyand Design[M].Wiley Publishing,1998.

[9] 趙麟,高申瑋,蔚保國,等.一種低副瓣陣列天線指數幅度加權算法及仿真[J].無線電通信技術,2015,41(2):38-40.

[10] 牛傳峰,吳旭,趙東賀.相控陣天線陣元失效的影響分析及補償[J].無線電通信技術,2013,39(5):44-46.

[11] 林鑫,王化宇,吳文友,等.一種集成監測網絡的天線陣列一體化設計[J].無線電工程,2016,46(8):51-55.

[12] 薛玲瓏,于守江,陽家宏,等.Ka波段波導定標網絡的一體化設計[J].無線電工程,2016,46(7):76-79.

[13] 賈小慧,高楊,柏鷺,等.Ka波段五位分布式MEMS傳輸線移相器設計[J].半導體光電,2011,32(2):204-207.

An Integrative Design of Low-profile Stripline Array Antenna

SHAO Xiao-long,YANG Xue-jun,LI Li-xian,LIN Xin,CHEN Dong-yu

(1.ShanghaiAerospaceElectronicsandCommunicationEquipmentResearchInstitute,Shanghai201109,China; 2.MilitaryRepresentativeOfficein804ResearchInstituteofShanghaiAerospaceAdministration,Shanghai201109,China;)

10.3969/j.issn.1003-3106.2017.08.10

邵曉龍，楊薛軍，李麗嫻，等.一種低剖面帶狀線結構的一體化陣列天線設計[J].無線電工程,2017,47(8):40-43.[SHAO Xiaolong,YANG Xuejun,LI Lixian,et al.An Integrative Design of Low-profile Stripline Array Antenna[J].Radio Engingeeing,2017,47(8):40-43.]

2016-12-19

上海航天技術研究院核攀基金資助項目(ZY2014-023)。

TN015

A

1003-3106(2017)08-0040-04

邵曉龍 男，(1988—)，碩士，工程師。主要研究方向：天饋線的設計。

楊薛軍 男，(1967—)，高級工程師。主要研究方向：武器系統質量監督。