一種新型低剖面雙極化相控陣天線單元的設(shè)計

楊麗娜，姬江偉

(1 中國空空導(dǎo)彈研究院，河南 洛陽 471009;2 河南省交通運(yùn)輸發(fā)展集團(tuán)有限公司洛陽分公司,河南 洛陽 471009)

0 引言

相控陣天線是既能高速掃描又能多功能工作的綜合天線，它是由許多天線單元組成，并在每個單元上用可變相位或時延控制使波束掃描到空間給定角度上。相控陣的頻帶寬度、極化特性、掃描范圍等也由陣列單元決定，因此天線單元對相控陣的性能起著決定性的作用。極化是除頻率、幅度、相位以外，描述電磁波矢量性的又一重要信息。作為探測系統(tǒng)的重要組成部分，雙極化天線成為了研究重點(diǎn)之一。

近年來，人們提出了多種雙極化天線， 如微帶振子天線[1]、微帶貼片天線[2-3]、Vivaldi天線[4-6]等。微帶振子天線一致性好、結(jié)構(gòu)簡單、帶寬較寬，但是其為直立結(jié)構(gòu)，縱向剖面高，隔離度也不高。雙極化微帶貼片天線主要有探針饋電微帶貼片天線[7]、縫隙耦合貼片天線[8-10]、微帶共面饋電貼片天線[11-12]，以及上述3種形式取兩種的組合[13]。其中縫隙耦合天線具有低剖面、高隔離度、寬帶寬等優(yōu)點(diǎn)，如H型縫隙耦合貼片單元[14-15]，但與后端T/R連接較為困難；Vivaldi天線作為直立天線的典型結(jié)構(gòu)，天線陣列加工及裝配較為復(fù)雜。隨著相控陣天線高度集成化發(fā)展，實現(xiàn)低剖面雙極化天線陣面尤為關(guān)鍵。

文中提出一種新型的低剖面雙極化相控陣天線單元，開展了單元的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)仿真分析，得到其變化趨勢對天線性能的影響，并完成了天線單元的設(shè)計，其有源駐波、陣列掃描方向圖及極化隔離度性能良好。為驗證此種天線單元的性能和加工工藝，開展1×8天線試驗件結(jié)構(gòu)設(shè)計、加工及測試，并進(jìn)行實測數(shù)據(jù)與仿真設(shè)計數(shù)據(jù)的對比分析。

1 天線單元設(shè)計

1.1 天線單元結(jié)構(gòu)

天線單元采用正交的平面微帶振子，分別由同軸探針引至下方的不同層帶狀線進(jìn)行饋電，保證兩個極化的饋電層物理隔離。兩個極化的同軸饋電接口通過同軸-帶狀線過渡，即貫通最下層接地板，分別與下層及上層的饋電帶狀線相連接。設(shè)計的天線結(jié)構(gòu)如圖1所示。同軸接口根據(jù)實際應(yīng)用需求(此處采用類同軸端口)進(jìn)行適應(yīng)性設(shè)計。

1.2 單元結(jié)構(gòu)參數(shù)對性能的影響分析

兩個正交的平面微帶振子均由探針引至下方不同的帶狀線層進(jìn)行饋電，采用帶狀線巴倫實現(xiàn)平衡至不平衡的轉(zhuǎn)換，并將帶狀線轉(zhuǎn)換為類同軸實現(xiàn)同軸饋電。天線關(guān)鍵設(shè)計參數(shù)如圖2所示。帶狀線巴倫兩臂的長度差影響天線方向圖的波束指向，調(diào)整巴倫兩臂長度就可以實現(xiàn)天線方向圖波束指向天線陣面法向位置。微帶振子的饋電巴倫由多級不同寬度的帶狀線實現(xiàn)阻抗匹配，每級帶狀線的長度根據(jù)結(jié)構(gòu)布局適當(dāng)選擇，其寬度對端口阻抗匹配效果影響明顯。決定此種平面微帶振子天線單元性能的主要參數(shù)有微帶振子的長度、微帶振子的寬度、各級帶狀線的寬度(CPS_w、CPS_w2、CPS_w5、CPS_w7、CPS_w8)、探針半徑(TZ_r)、類同軸饋電探針半徑(Ku_r)、類同軸焊盤半徑(KuHp_r)及巴倫的兩臂長度差。設(shè)計此種平面微帶振子單元時，首先需要初選微帶振子長度，一般取為0.4λ0(λ0為自由空間波長)；根據(jù)工藝可實現(xiàn)性，選擇兩探針間距約1 mm左右，對稱微帶振子之間間隙為0.35 mm，并倒圓角實現(xiàn)隔離；在調(diào)整優(yōu)化帶狀線和類同軸過渡的匹配性能后，對巴倫的兩臂進(jìn)行仿真優(yōu)化，滿足天線波束指向法線方向；優(yōu)化整個天線單元性能，確定最終天線結(jié)構(gòu)參數(shù)。

此處令兩極化天線單元和饋電結(jié)構(gòu)參數(shù)保持一致，兩極化天線的結(jié)構(gòu)參數(shù)對天線性能影響規(guī)律相同，現(xiàn)以一個端口為例，分析天線的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)對其性能影響的規(guī)律。

1.2.1 微帶振子長度和寬度

平面微帶振子的長度(rad_y表示振子長度的一半)和寬度(rad_x)影響天線單元的駐波匹配性能，其中長度變化影響較大。微帶振子長度增加時，天線駐波帶寬有一定的展寬，特別是頻率高端，長度到達(dá)一定值時，中端駐波惡化明顯。微帶振子寬度增加時，頻率高端駐波惡化明顯，頻率低端與中端變化不明顯。微帶振子長度和寬度對天線性能影響的仿真曲線如圖3所示。

圖3 微帶振子長度和寬度對天線性能影響曲線

1.2.2 探針半徑和類同軸饋電探針半徑

探針半徑和類同軸饋電探針半徑對天線的阻抗匹配有明顯的影響，需要仿真分析以選取性能較優(yōu)且工程化可實現(xiàn)的半徑。探針半徑增大，天線頻率低端阻抗匹配改善明顯，頻帶內(nèi)阻抗匹配可達(dá)到最佳效果。類同軸半徑增大，阻抗匹配惡化明顯，此處選擇類同軸半徑工程可實現(xiàn)的最小值0.11 mm。兩者對天線性能影響的仿真曲線如圖4所示。

圖4 探針半徑和類同軸探針半徑對天線性能影響曲線

1.2.3 各級帶狀線寬度

每級帶狀線的寬度對天線頻帶內(nèi)阻抗匹配均有較明顯的影響，特別是CPS_w3影響最大，值越小，駐波越好，其余影響規(guī)律基本相同，通過調(diào)整，可將頻帶內(nèi)的駐波優(yōu)化至較佳狀態(tài)。此處選取CPS_w2、CPS_w3兩個參數(shù)的仿真曲線如圖5所示。

圖5 各級帶狀線寬度對天線駐波性能影響的仿真曲線

1.2.4 類同軸焊盤半徑對天線性能的影響

類同軸焊盤半徑對天線頻帶內(nèi)阻抗匹配有較明顯的影響，且影響規(guī)律與每級匹配帶狀線影響規(guī)律基本相同，通過調(diào)整其半徑大小可將頻帶內(nèi)的駐波比優(yōu)化至較佳狀態(tài)。類同軸焊盤半徑對天線駐波性能影響的仿真曲線如圖6所示。

圖6 類同軸焊盤半徑對天線性能影響的仿真曲線

1.3 孤立單元的性能

天線微帶板均選擇Rogers 4350，平面微帶振子所在微帶板厚度選為3.148 mm，其余4張微帶板厚度均選0.254 mm，另外為束縛帶狀線及同軸饋電的電場，其周圍均加入等間距的金屬化過孔。按照結(jié)構(gòu)參數(shù)對天線性能影響規(guī)律，對Ku頻段帶狀線饋微帶振子孤立單元開展仿真優(yōu)化，其端口駐波、隔離度分別如圖7所示。奇偶端口方向圖分布如圖8所示。由仿真結(jié)果可知，帶狀線饋微帶振子天線駐波<1.6，帶寬有4 GHz左右，其中5 GHz帶寬內(nèi)極化通道隔離度大于26 dB，方向圖交叉極化隔離度優(yōu)于40 dB。

圖7 微帶振子孤立單元端口駐波和極化隔離度

圖8 微帶振子天線方向圖

1.4 天線有源駐波仿真優(yōu)化

在仿真軟件Ansoft HFSS中，設(shè)置周期性邊界條件模擬天線陣列環(huán)境，對天線的有源駐波進(jìn)行優(yōu)化。根據(jù)掃描角度范圍，選擇單元間距，此處選8.6 mm。另外，有源駐波在個別頻點(diǎn)跳變幅度較大，為了改善此種影響，在振子所在微波板上開槽，結(jié)構(gòu)模型如圖9所示。通過調(diào)整開槽的深度和寬度，優(yōu)化有源駐波性能和極化通道隔離度性能，結(jié)果如圖10、圖11所示。其中奇端口和偶端口分別對應(yīng)圖2中的1端口和2端口。

圖9 天線有源駐波改進(jìn)仿真模型

圖10 改進(jìn)后天線兩極化端口有源駐波曲線

圖11 改進(jìn)后天線兩極化通道隔離度曲線

1.5 天線陣列掃描特性

采用仿真優(yōu)化得到的天線單元模型，沿0°和90°φ剖面分別建立8單元線陣，仿真其掃描性能，統(tǒng)計天線陣增益隨掃描角度變化情況。天線陣模型及相應(yīng)頻帶內(nèi)典型掃描方向圖如圖12、圖13所示。

圖12 天線陣模型

圖13 典型陣列掃描方向圖

2 天線工程化實現(xiàn)

為了驗證天線單元性能，以90°φ剖面1×8線陣(圖12所示模型)為例加工試驗件。現(xiàn)將此線陣仿真結(jié)果分奇偶端口重新列于圖14。

圖14 天線奇端口和偶端口分別饋電時法向掃描方向圖

圖15 天線奇端口駐波曲線

圖16 天線偶端口駐波曲線

本天線為多層微波板結(jié)構(gòu)，共有5張微波板，牽涉到10面圖形加工，加工工序較為復(fù)雜。加工工藝主要包括微波板圖形刻蝕、微波板燒結(jié)、金屬化過孔加工、背鉆孔工藝、樹脂塞孔且鋪銅等，其中微波板燒結(jié)用的半固化片、背鉆孔及其殘留金屬化孔均需在天線仿真模型中建立其實際模型，充分考慮影響，仿真優(yōu)化天線結(jié)構(gòu)參數(shù)。

2個極化天線的4個同軸探針在5張微波板燒結(jié)后，按金屬化過孔來加工，多余的部分采用背鉆孔工藝消除。其中1個極化饋電同軸探針在下面4張微波板燒結(jié)后按金屬化過孔來加工，多余的部分同樣采用背鉆孔工藝消除。

另外，在天線結(jié)構(gòu)模型仿真優(yōu)化時，還應(yīng)滿足背鉆孔到線間距≥6.5 mil，背鉆孔鉆透層掏銅需比背鉆大孔大8 mil；為保證孔與走線的電性能連接，需添加單邊比孔大5 mil的焊環(huán)。

此天線存在多種類型孔的加工，包括各類通孔、盲孔及屏蔽孔，且需要樹脂塞孔，再鋪銅。根據(jù)各類孔的需求制定微波板壓合順序：4張0.254 mm厚的微波板兩兩壓合后，再將此4張微波板合并壓合；最后與1張3.148 mm厚的板子壓合，完成多層微波板天線加工。

由于本天線為平面型微帶天線，且為類同軸接口，采用毛紐扣與天線連接較為方便，根據(jù)天線結(jié)構(gòu)模型仿真優(yōu)化結(jié)果，選擇合適的毛紐扣轉(zhuǎn)SMP接插件，既易與天線連接，又方便測試。

多層微波板與測試底板1進(jìn)行燒結(jié)，毛紐扣轉(zhuǎn)SMP接插件與測試底板2燒結(jié)。測試底板1與測試底板2通過定位銷孔定位，螺釘連接裝配。

3 天線實物測試

被測天線的實物照片如圖17所示。

圖17 被測天線實物照片

3.1 天線S參數(shù)測試

天線端口定義如圖18，將天線的兩個端口分別通過同軸轉(zhuǎn)換連接到S參數(shù)測試系統(tǒng)的測試口1和測試口2，進(jìn)行測試結(jié)果表明：極化端口隔離度<-28 dB，將S參數(shù)測試性能匯總，列于表1。

圖18 天線端口定義

表1 S參數(shù)測試性能匯總

3.2 天線方向圖測試

雙極化天線方向圖測試結(jié)果如圖19～圖20所示。

圖19 天線奇端口方向圖及交叉極化

圖20 天線偶端口方向圖及交叉極化

3.3 天線測試數(shù)據(jù)分析

由S參數(shù)測試結(jié)果可知，此雙極化天線端口駐波雖由于加工誤差，相對于仿真結(jié)果略微抬高，但在應(yīng)用垂直互聯(lián)實現(xiàn)連接的情況下，已屬于較好的性能水平。

由天線方向圖測試結(jié)果可得，天線方向圖正常，交叉極化實測值在-20 dB以下，相對仿真值為-40 dB，抬高約20 dB，經(jīng)分析，除天線加工公差引起的交叉極化惡化外，天線焊接的金屬板厚度為0.5 mm，加工時很容易變形，而兩個面對接時，螺釘又只能在零件周圍緊固，因此兩個零件裝配后，其中心位置會存在些許縫隙，造成極化端口間的能量泄露，這也是導(dǎo)致交叉極化惡化的一個因素。后續(xù)此種結(jié)構(gòu)件設(shè)計，將改變毛紐扣結(jié)構(gòu)設(shè)計，加厚測試底板1，減小其變形概率，進(jìn)而優(yōu)化交叉極化隔離度，使其接近仿真設(shè)計水平。

4 結(jié)論

提出了一種新型的平面微帶振子雙極化天線，經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計，實現(xiàn)了-28 dB低剖面高隔離度。通過試驗件研制和實物測試，評估了此種天線的性能，給出了工程化實現(xiàn)經(jīng)驗及注意事項，為后續(xù)相關(guān)性研究提供了技術(shù)支持。