一種基于層壓技術的Ku波段集成式陣列天線

王元源 李 寧 鄭幕昭

(西安電子工程研究所 西安 710100)

0 引言

隨著傳感器與通訊系統在星載、無人機載、彈載等載荷資源極其有限的平臺上大規模的應用，其相對應的天線在保證電氣性能的同時，也正朝著陣列化、輕量化、寬帶化、低剖面、集成化等方向發展，這些特點將大幅拓展電子系統的應用范圍，并明顯增強其載體適應性。

本文采用高頻層壓技術將低剖面的縫隙耦合天線單元[1]與多層折疊式的平面化功分網絡集成為一體，實現了工作在Ku頻段的集成式陣列天線。該陣列天線具備良好的匹配特性與低副瓣輻射特性；同時，輻射陣面連同加權功分網絡的剖面高度控制在3 mm以內；并且其相對于傳統的波導縫隙陣列，重量減輕超過60%，成本顯著降低。

1 陣列組成

如圖1所示，一維天線陣列由10個寬帶輻射單元，2套1分5加權功分網絡及2個SMP表貼連接器構成。

圖1 線陣組成示意圖

如圖2所示，整個陣列沿垂直陣面方向由5層相對介電常數為3.0的介質基板構成，板材間通過半固化片膠膜在高溫高壓環境下壓接形成整體。

圖2 陣列分層結構示意圖

各層介質板材及膠膜厚度如表1所示。

表1 板材及膠膜厚度(mm)

hs1hs2hp1.5240.2540.076

天線陣列內部的金屬圖案位于介質板材兩側的覆銅層中(L1-L6)。

2 天線單元設計

天線單元采用縫隙耦合饋電的多層帶線結構形式[1-5]。帶狀饋線位于L3層，通過位于L2層的地板上的縫隙將能量耦合至頂層L1的微帶貼片輻射器。帶狀饋線的末端與不等功分網絡相接。

縫隙的設計采用了特殊的多諧振“啞鈴”形結構。與傳統的“一”字或“H”形縫隙[2-4]相比，其增加了傾斜縫隙結構，可更為精細地調節能量耦合強度與阻抗變化范圍，設計自由度更高。

圖3 天線單元結構參數圖

以中心頻率為基礎，考慮層壓工藝的加工誤差，通過迭代優化后獲得天線耦合縫隙及輻射貼片的設計參數如表2、表3所示。

表2 “啞鈴”形耦合縫隙尺寸(mm)

WsLsws1ws2ls1ls2ls32.323.160.150.680.490.420.5

表3 天線貼片及饋線尺寸(mm)

WLwfd1d26.624.190.441.580.48

3 多層功分網絡設計

如圖4所示，多層功分網絡由兩層帶狀線網絡、垂直互聯結構及隔離結構組成，通過高頻介質板層壓技術與天線輻射陣面融合成為一個整體。其中，第一層網絡靠近輻射貼片，起到完成輻射能量耦合與第一級加權功分的作用；第二層網絡通過金屬化過孔構成的準同軸結構與第一層網絡垂直互聯，起到第二、三級加權功分與最終輸出的作用。各輻射單元對應的饋線間采用雙層金屬化過孔陣列進行隔離，能夠顯著提高相鄰單元間的隔離度，保證陣列在整個頻帶內具備良好的輻射性能。

圖4 多層功分網絡示意圖(1/2線陣)

圖5、圖6給出了一維1分5功分網絡的電壓駐波比與傳輸系數的仿真結果。從圖5、圖6中可知，功分網絡在整個工作頻帶內電壓駐波比小于1.4，并且具有穩定的功率分配系數，滿足-30 dB的Taylor加權系數要求；且各端口在工作頻帶內保持同相，最大相位偏差7°。

圖5 多層功分網絡電壓駐波比

圖6 多層功分網絡功率傳輸系數

4 一維線陣仿真設計

如圖7所示，將天線輻射單元、金屬隔離腔體、多層一維功分網絡作為整體進行仿真驗證，重點考查其輸入端口駐波及遠場輻射方向圖特性。

圖7 一維天線陣列模型

集成后天線陣列的駐波曲線如圖8所示，從圖中可以看出，線陣在全頻帶內具有良好的駐波特性。

圖8 一維線陣電壓駐波比

圖9給出了線陣在高中低頻點的仿真輻射方向圖，其中心頻點的方位維輻射方向圖最大旁瓣電平約為-29 dB，波束寬度9.67°。全頻帶內的一維輻射方向圖副瓣電平均低于-25 dB，滿足設計要求。

圖9 線陣輻射方向圖

5 測試結果分析

根據仿真模型參數，結合高頻層壓技術進行了集成式線陣的加工，最終獲得的線陣實物如圖10所示。

圖10 集成式線陣實物圖

在實驗室內完成了實物線陣的端口駐波測試，測試結果如圖11所示。同時，通過近場掃描結合近遠場變換的方式獲得了實物線陣高、中、低頻點的輻射方向圖特性(如圖12所示)。

圖11 集成式線陣電壓駐波比測試結果

由測試結果可知，在整個工作頻帶內，陣列輸入端口的電壓駐波比小于2.2，能夠滿足使用要求。與仿真結果略有差別的是，高頻段的駐波有比較明顯的抬升，考慮到測試接口的誤差后，仍有進一步優化提升的空間。

同時，測試結果表明，頻帶內輻射方向圖的副瓣電平均低于-28 dB,達到了預期的設計指標；天線主瓣波束寬度與仿真結果相比略有展寬，達到約10.4°(16 GHz)，處于可接受的誤差范圍內，這主要是由于功分網絡的損耗及傳輸線寬度/長度的加工誤差導致的。

圖12 集成式線陣測試方向圖

6 結束語

本文基于高頻層壓技術設計了工作在Ku頻段的集成式低剖面天線陣列。創造性地采用了5層高頻介質板構成多層結構，實現了天線輻射陣列與泰勒加權功分網絡的一體化集成。仿真與測試結果表明，天線陣列能夠覆蓋15 GHz～17 GHz的頻段范圍，且具有良好的輻射效率與低副瓣特性。陣列整體尺寸僅為125 mm×9.5 mm×2.9 mm，具備低剖面特性與擴展應用潛力。

該天線陣列的集成式設計思路不但省去了天線單元與網絡間存在的電氣接口，降低了傳輸損耗，更使無源陣列的剖面、重量、體積均大幅縮減；多層壓接的陶瓷玻璃布介質結構, 增加了機械強度, 降低了外界環境對天線的影響,使其可靠性明顯提高；高頻層壓工藝的制造成本約為低溫共燒陶瓷(LTCC)等高頻3D封裝工藝的1/5，在Ku及較低頻段具備競爭優勢，能夠支撐未來大批量的應用需求。