寬帶低副瓣微帶反射陣列天線

(中國西南電子技術研究所，成都 610036)

1 引 言

便攜式雷達可用于邊境、海岸、戰區前沿、戰場環境偵察和監視，也可用于要地和高價值設施，如政府要地、軍事基地、部隊駐地、電站、油庫等敵方攻擊目標的防御和保護，具有極大的市場潛力。目前,便攜式雷達多利用易折疊微帶反射陣天線替代傳統的拋物反射面天線研制而成的。微帶反射陣天線的最大優點是反射面可以分塊折疊，可以3層疊放，和收發信機組裝一個便攜單元，能快速裝卸，具有目前國外便攜式雷達平板陣天線的便攜優點，而且重量輕，天線增益高，生產成本低。

為雷達系統配套的微帶反射陣列天線在設計過程中，除了要考慮介質損耗、單元互耦和表面波控制等因素以提高天線效率外，還要考慮措施以降低天線副瓣電平和增加天線副瓣電平帶寬。合理選擇印制板的材料參數和厚度，就能兼顧介質損耗、單元互耦和表面波抑制[1-3]。

本文采用微帶延遲線移相的方案，降低了印制板蝕刻加工要求，保證了低副瓣的微帶反射陣列天線的加工實現。準確控制反射單元的反射相位，包括在中心頻點反射相位的準確提取，降低反射相位在頻帶內的色散，降低反射單元之間的耦合和降低表面波輻射，微帶反射陣列天線就能實現寬帶低副瓣特性。實驗測試結果表明，該微帶反射陣列天線在X頻段3.2%的帶寬內副瓣電平低于-25 dB，并且天線效率不低于50%。

2 天線原理

微帶反射陣列天線的示意圖及其坐標系統如圖1所示。在雙面板的第1層蝕刻有大量微帶貼片天線單元。每個微帶貼片都用(m，n)賦予一個序號，其中m代表行序號，n代表列序號。微帶貼片天線單元的示意圖如圖1(d)。在圖1中，A、B分別為反射陣天線的方位和俯仰口徑尺寸；C為天線面下邊緣；F為饋源相位中心至反射陣面的距離，一般也稱為反射陣天線焦距；Sx、Sy分別為微帶貼片單元在x和y方向的尺寸；L、W為貼片在x和y方向的尺寸。

當從饋源輻射出來的電磁波照射到第(m，n)個微帶貼片上時，由于它沒有負載，故將接收到的電磁波二次輻射回自由空間。我們把這一過程中在貼片處的附加相位記為φm,n，在反射陣中心的附加相位記為φ00，并把從饋源相位中心到第(m，n)個貼片中心的距離記為rmn，到反射陣中心的距離記為r00，那么當滿足：

krmn+φmn-kr00+φ00=2iπ

(1)

式中，i為整數，k為自由空間波數。則所有貼片的二次輻射波在z=0平面同相，因而所有二次輻射波所形成的陣列天線主波束方向在z方向，這就是反射陣天線的基本工作原理。

3 天線設計

在仿真條件受限制的條件下，采用幾何光學法分析與陣中單元局部仿真相結合的方法，設計微帶反射陣列天線。反射面陣元的設計是微帶反射陣列天線設計的重點和難點，陣元設計目標是微帶貼片單元反射相位參數的準確提取。因此，從設計角度看，合理選擇反射陣列天線的基本參數后，陣元設計滿足要求，則天線技術狀態就能滿足指標要求。

(a)正視圖

(b)側視圖

(c)反射陣面結構示意圖

(d)微帶單元圖1 微帶反射陣天線示意圖及其座標系統Fig.1 Microstrip reflectary antenna in the reference frame

3.1 天線基本參數

天線焦徑比為0.6，天線口徑分布采用近似臺勞分布，方位邊緣照射電平約為-16 dB，俯仰邊緣照射電平約為-8.5 dB。

3.2 陣元設計

圖2 天線第一象限陣元分布圖Fig.2 Units of antenna laying in the first quadrant

反射陣元關于陣面中點對稱分布，設陣面中點為直角坐標系(ξ,ζ)原點，其第一象限陣元分布如圖2所示。圖中一個方格代表一個陣元，每個陣元的尺寸為0.6λ×0.6λ。采用幾何光學法，可計算出每個單元的延遲相位φmn：

φmn=2iπ+kr00+φ00-(krmn+φmn)

(2)

式中，k為波數；r為饋源相位中心到陣元采樣點的距離；φ為饋源引起的相位差，可忽略不計；下標mn指第m行、第n列的陣元。陣元延遲相位與延遲線長度的關系如下[1]：

(3)

式中，Lmn為陣元延遲線長度；εe為傳輸線等效介電常數，λ0為中心頻率對應的波長；ΔL為端頭效應引起的附加相位的等效長度，實際設計中不用考慮。

圖3 反射陣元微帶延遲線仿真的“元胞”模型Fig.3 Simulation model of the reflecting unit

對輻射貼片、微帶延遲線的理論設計沒有考慮陣列中表面波和互耦的影響，延遲線相位的設計也是建立在單個微帶貼片與延遲線匹配的基礎上，這與實際情況有所差別。因此，必須采用仿真軟件分析，仿真的“元胞”模型如圖3所示。理論設計結果可作為仿真優化的初始值，還能定性地指導優化過程。

圖4中實線為理論計算結果，點劃線為“元胞”模型的計算結果。除接頭處延長1.6 mm范圍內的延遲線與延遲相位不滿足線性變化外(這是由于接頭處的不連續性，引起的高次模所致)，其余都近似滿足式(3)的線性關系，仿真結果與理論結果誤差在±2°范圍內。因此，在實際設計中，將延遲線1.6 mm處設為參考相位。

圖4 微帶延遲線與延遲相位的關系Fig.4 Relationship between the microstrip delay-line and the delaying phase

為了便于后續的ANSYS參數化語言(APDL)自動制圖，將仿真結果在MATLAB中擬合，則延遲線長度對延遲相位的擬合公式如下：

L=-2.9232×10-14φ6-3.8129×10-11φ5-

1.923×10-8φ4-4.6818×10-6φ3-

5.5962×10-4φ2-5.8039×10-2φ+0.17713

(4)

將式(1)代入式(3)可得每個單元的延遲線長度，從而完成設計。

采用幾何光學法分析反射陣列天線方向圖特性。首先，在FEKO中分析角錐喇叭饋源，以其相位中心為坐標原點，在反射陣陣元中心位置提取陣元幅度和相位信息；其次，將幅度和相位信息導入MATLAB平臺作為二維點源陣(每個點源為反射陣陣元中心)的幅度和初始相位；再次，根據波束掃描指向確定各陣元補償相位量；最后，計算各點源在各方向上電場矢量疊加的模，即為反射陣列天線的方向圖。天線在中心頻點的方位方向圖和俯仰方向圖如圖5所示，其中方位面波束寬度為2.75°，副瓣電平為-34 dB；俯仰面波束寬度為4.7°，副瓣電平為-21.4 dB。

(a)方位面

(b)俯仰面圖5 幾何光學法分析的天線方向圖Fig.5 Pattern of the antenna using GO method

4 實驗結果及分析

(a)方位面

(b)俯仰面圖6 天線實測方向圖Fig.6 Measure pattern of the antenna

為了驗證微帶反射陣列天線的設計，對天線實物進行測試。測試結果表明，天線中心頻點方位面波束寬度為2.79°，副瓣電平為-32 dB；俯仰面波束寬度為4.79°，副瓣電平為-21.1 dB，如圖6所示，在工作頻段內，天線增益不低于為32.9 dBi。天線實測結果與理論計算結果一致，波束寬度的增加和副瓣電平的抬高是由于加工誤差引起的。這說明幾何光學法與陣元相位提取技術相結合的分析方法切實有效，設計精確。

由圖6可見，在天線的3.2%的工作頻帶內，天線的效率優于50%，并且方位面副瓣電平均低于-25 dB，滿足便攜式雷達天線的技術要求。

5 結 論

本文提出的微帶延遲線移相的方案適用于低副瓣微帶反射陣列天線設計，提出的微帶貼片和微帶延遲線的匹配原則能進一步拓寬微帶反射陣列天線的低副瓣帶寬。陣元的相位提取技術能有效提高設計精度，適用于所有陣列天線的設計，不受陣元形式的限制，具有通用性。

該微帶反射陣列天線成功應用于便攜式雷達系統，不僅電性能完全替代傳統的拋物反射面天線，并且天線可以折疊，體積減小了三分之二，重量也減少了60%。

參考文獻：

[1] RONALD D,JAVOR,WU Xiao-dong,et al.Design and performance of a microstrip reflectarray antenna[J].IEEE Transactions on Antenna and Propagation,1995,43(9):932-939.

[2] HUANG J, POGORELSKI R J. A ka-band microstrip reflectarray with elements having variable rotation angles[J]. IEEE Transactions on Antenna and Propagation,1998, 46(5): 650-656.

[3] POZAR D M, TARGORIGSKI S S, SYRIGOS D S. Design of millimeter wave microstrip reflectarrays[J]. IEEE Transactions on Antenna and Propagation,1997,45(2): 287-296.