一種具有自校準功能的寬帶寬角貼片天線設計

袁建濤，湯曉云，張聞濤，稂華清,3

(1.中國空空導彈研究院，洛陽 471009；2.空裝駐洛陽地區第一軍代表室，洛陽 471009；3.航空制導武器航空科技重點實驗室，河南 洛陽 471009)

0 引 言

相控陣天線具有無慣性掃描、波束捷變、大功率等優點，憑借其優越性能及相控陣技術的高速發展，相控陣天線在現代軍事武器和無線通信技術中得到越來越廣泛的應用。目標高機動、各種有源與無源電磁干擾、衛星高速率數據傳輸及合成孔徑雷達(SAR)成像等對相控陣天線的工作帶寬及空間掃描范圍提出了高要求。為了有效地滿足各種功能需求，要求天線具有較寬的方向圖帶寬，同時在較寬帶寬內具備二維寬角掃描能力[1-5]。

與此同時，有源相控陣天線TR通道基態性能存在較大的幅相不一致性，為使天線具有良好的低副瓣性能，需對TR通道間幅度相位不一致性進行準確測量并做調平處理。工程中一般采用近場或遠場方法對相控陣天線TR通道進行幅相性能校準并做不一致性補償，使天線輻射性能滿足可使用要求。當產品交付以后，其服役場所往往不再具備近場或遠場測試條件，因此需要設計有源鏈路性能監測手段，實現對TR通道不定時檢測。自校準方法基于天線內部耦合網絡，受外界環境干擾小，能夠很好地滿足有源相控陣天線TR通道的性能監測要求。本文將多層貼片天線與內耦合網絡[6]一體化設計，校準線通過縫隙耦合信號至天線饋電通道或接收天線饋電通道的信號，實現對T/R通道性能的在線監測。一體化設計[7-8]使天線結構更加緊湊，集成度高，便于加工和裝配，在大大降低成本的同時，較好保證了天線性能的一致性。此外，與振子天線[9-10]、Vivaldi天線[11-13]等常用相控陣天線單元相比，文中天線在滿足寬帶寬角掃描條件下，兼有低剖面的優點，在瓦式相控陣[14]、智能蒙皮技術[15]、彈載大規模共形天線陣等領域具有潛在應用價值。

1 天線一體化設計

一體化天線單元為一種帶矩形空腔的多層貼片天線，極化方式為線極化，其結構如圖1所示。天線從上而下依次為寄生貼片、0.508 mm厚介質板、輻射貼片、0.762 mm厚介質板、地板、0.254 mm厚介質板、饋電微帶、0.254 mm厚介質板、地板、0.254 mm厚介質板、校準微帶線、校準微帶空氣腔，層與層之間用半固化片粘接。介質材料均為Rogers RT/duroid 5880，相對介電常數為2.2，介質損耗角正切為0.000 9，天線尺寸8 mm×8 mm，輻射貼片尺寸為5 mm×5 mm，寄生貼片尺寸為4.5 mm×4.5 mm，矩形空腔尺寸為4.5 mm×4.5 mm。該天線工作在Ku頻段，采用同軸轉帶狀線饋電，在帶狀線上方地板開H形槽縫，利用縫隙耦合理論激勵貼片輻射，同時結合寄生貼片，使天線獲得寬帶性能，在耦合縫隙上方介質板中心加工一定尺寸的空氣腔可以進一步拓寬天線有源駐波帶寬。帶狀線縫隙耦合饋電將輻射貼片和饋電微帶分層設計，并在帶狀線四周打金屬化過孔，在去高次模的同時，可避免帶狀線電場對貼片輻射性能的影響，使天線獲得較好的寬角掃描和低交叉極化特性。

圖1 一體化貼片天線

文中主要對4 GHz帶寬內天線性能進行分析，其中下邊頻fL對應頻點f0-2 GHz，f0為中心頻點，上邊頻fH對應頻點f0+2 GHz。分別對孤立天線單元下邊頻fL、中心頻點f0和上邊頻fH的E面和H面方向圖主極化和交叉極化進行仿真，仿真結果如圖2所示，由仿真結果可知，該貼片單元方向圖帶寬滿足4 GHz要求，且在帶寬內E面和H面交叉極化電平均優于-40 dB。

圖2 邊、中頻孤立天線單元方向圖性能

利用小孔耦合原理，設計自校準網絡，校準微帶線通過縫隙耦合信號至天線饋電通道或接收天線饋電通道的信號，實現對T/R通道收發性能的在線監測。耦合孔寬度尺寸影響耦合量大小，耦合孔下方校準微帶方形片起校準口駐波調節作用。頻帶內耦合量及校準口駐波仿真結果如圖3所示。由圖3可知，耦合量在全頻帶內的波動范圍小于2 dB，校準口駐波小于1.2。

圖3 校準耦合性能

2 天線有源駐波特性

陣中天線單元由于受到其他單元互耦影響，在波束掃描過程中其有源駐波會有較大變化，而天線單元在掃描空域范圍內的有源駐波大小用來衡量波束掃描過程中是否存在盲點。利用HFSS周期性邊界理論，對文中貼片天線主剖面有源駐波進行仿真，圖4給出4 GHz帶寬內天線沿E面和H面掃描60°范圍內的有源駐波變化曲線。

圖4 天線有源駐波

由仿真結果可知，在4 GHz帶寬內，文中天線沿E面和H面掃描±60°范圍內有源駐波均小于3.2，波束掃描過程中無盲點出現。

3 天線單元陣中特性

根據方向圖乘積原理，對相控陣天線來講，陣中天線方向圖3 dB波束寬度對波束掃描過程中增益下降和副瓣抬高程度有重要影響。文中以天線尺寸大小為單元間距，按照矩形柵格排布建立9×9面陣，陣面布局如圖5所示。使天線分別工作在下邊頻fL、中心頻點f0和上邊頻fH，利用HFSS軟件對其陣中方向圖進行仿真，仿真結果如圖6所示。

圖5 9×9天線陣面布局

圖6 陣中方向圖

由仿真結果可知，在4 GHz帶寬內，天線E面3 dB波束寬度為121°～134°，H面3 dB波束寬度為96°～104°，陣中天線單元增益為5.06 dB～5.9 dB，如表1所示，能夠滿足相控陣天線±60°掃描范圍及帶內天線增益要求。

表1 陣中天線單元增益

4 陣列波束掃描特性

為衡量天線陣列掃描特性，分別沿E面和H面方向建立16元線陣，陣元間距與貼片單元尺寸一致，天線分別工作在fL、f0和fH3個頻點，波束掃描角度為0°、30°和60°，根據波束掃描公式給每個天線單元配相，仿真結果如圖7所示。

圖7 陣列波束掃描特性

由圖7可知，在全頻帶范圍內波束沿E面和H面掃描過程中均無柵瓣產生，副瓣結構穩定且遠副瓣下降趨勢明顯，交叉極化低于-30 dB，能夠滿足寬帶寬角掃描要求。

5 結 論

本文基于H形縫隙耦合饋電和小孔耦合原理，設計了一種具有自校準功能的寬帶寬角掃描貼片天線。該天線在4 GHz帶寬內有源駐波、方向圖及耦合性能穩定且具有良好的低交叉極化性能，同時兼有微帶貼片天線低剖面、易集成的優點，能夠滿足一般相控陣天線應用需求，并在智能蒙皮技術中具有潛在的應用價值。