单脉冲双极化天线阵列设计

于 晶，李尚生，鲍 虎，陈佳林

（海军航空工程学院 电子信息工程系，山东 烟台 264001）

20世纪40年代后期单脉冲技术发展以来，单脉冲雷达在空中以及导弹防御系统中担负着重要角色。单脉冲天线由和差网络和接收天线组成。传统的单脉冲雷达的和差比较网络由4个魔T构成，接收天线为波导裂缝天线阵，其结构庞大，加工、设计和制造都比较困难，成本很高。更重要的是利用波导裂缝天线阵实现双极化功能非常困难。20世纪70年代以来微带天线以其重量轻、剖面小、设计灵活、成本低廉等诸多优点得到了越来越广泛的应用。特别是对于单脉冲雷达系统而言，双极化微带天线的研究具有十分重要的意义。本文提出了1种新型单脉冲双极化缝隙耦合微带天线阵列，此阵列利用共面微带线馈电和缝隙耦合微带线馈电两者结合的混合馈电微带单元，采用微带单脉冲比较器实现了其高隔离度、低副瓣特性。

1 微带双极化天线单元设计

根据理论研究和实践证明，单脉冲雷达若采用双极化模式工作，再配上适当的信号处理，可以收到较好的抗干扰效果[1]。基于雷达中平面天线的应用，我们对多种双极化微带贴片单元的设计作了研究[2-5]，选择共面微带线馈电和缝隙耦合微带线馈电两者结合的混合馈电微带单元来组成双极化微带天线阵。

天线单元结构如图1所示，把天线主体剖分为5层，第1层和第2层介质板上分别覆有方形寄生贴片和方形主辐射贴片，第3层为刻有H形偏置缝隙的地板层，第4层为馈电层基板，其上表面刻有微带馈线。此外，为了减小背向辐射提高增益，在距离地板四分之一波长处加了一块金属反射板，反射板与馈电层基板之间同样采用泡沫支撑。馈线通过孔径耦合能量和微带耦合矩形贴片激励起两种正交模式，实现垂直和水平极化工作状态。

图1 微带双极化单元

贴片层介质板rε 要影响天线的阻抗带宽，主要表现在带宽与介电常数成反比、与厚度成正比。但是，介质板厚度的增加也会使表面波增强，从而导致天线增益和极化纯度的降低。对于接地板层介质，由于孔径的存在，馈线能量在向上辐射的同时，也会经天线再次反向向下辐射，表现为背瓣过大，增益降低。所以，应采用较薄的高介电常数介质板来增强介质对场的束缚，从而达到减小背向辐射的目的[6]。本文设计天线中第2、3层介质板选择rε=2.2。第1、4层介质板选用低介电常数的硬质泡沫作为介质支撑，可以降低有效厚度上的等效介电常数，从而达到降低Q值的目的，而且不容易产生形变。此处选择介电常数rε=1.08的硬质泡沫。

微带贴片单元宽度Wp影响天线的方向图、辐射电阻以及输入阻抗，从而也影响着频带宽度和辐射效率。综合考虑Wp取8.6 mm。因为天线是双极化天线，必须另加一个馈电端口，为对称减小交叉极化，所以确定天线为正方型的贴片天线。

缝隙耦合微带单元见图2，两层微带介质板均采用相对介电常数为2.2的聚四氟乙烯材料，上层介质板厚度为1h=1 mm，下层介质板厚度为3h=0.25 mm，馈线所在层硬质泡沫厚度为1/4 波长即4h=8.2 mm。馈线采用50 Ω 微带开路线。

图2 缝隙耦合微带单元

缝隙耦合微带单元的辐射贴片尺寸的确定与微带贴片单元尺寸确定的方法类似，上层方形贴片边长为aW，下层方形贴片边长为Wp，两个辐射贴片产生两个相近的谐振频率，展宽了天线的频带。缝隙沿该端口极化方向偏离中心的尺度标为d，垂直于极化方向偏离中心的尺度标为s。

通过ADS 软件仿真调整H形槽的尺寸和调协枝节Lstup及辐射贴片的长度，可改善输入端口的阻抗特性，对影响天线单元性能的各个参数计算优化，得到天线单元尺寸，并对其进行天线阵设计及仿真。

2 天线阵设计及仿真

将微带双极化天线单元、微带单脉冲和差比较器及不等功分网络组合即可形成微带单脉冲双极化天线阵。天线阵共5层，两种极化形式的阵面分别处于不同的层面上，将“十”字型和差比较器放置在天线阵列中央，结构紧凑且具有近似对称的输入端口，方便连接4个4×4 天线子阵。分别对垂直极化天线阵和水平极化天线阵进行Designer3 软件仿真。垂直极化端口被激励时，馈电网络如图3所示，微带单脉冲和差网络的port1口对应于和信号，port2口对应于俯仰差信号，port3口对应于方位差信号，port4口无用，可接匹配负载。中心频率为9.2 GHz时仿真结果如图4～6所示：

图3 垂直极化微带天线阵面

图4 垂直极化和方向图

图5 垂直极化俯仰差方向图

图6 垂直极化方位差方向图

图4表示port1口激励时，垂直极化的和方向图，可以看到E面副瓣电平为−20.6 dB，H面副瓣电平为−20.1 dB，增益为25.5 dB。

图5表示port2口激励时，垂直极化的俯仰差方向图，可以看到H面方向图零深为−33.2 dB，E面方向图零深为−32.3 dB。

图6表示port3口激励时，垂直极化的方位差方向图，可以看到H面方向图零深为−31.2 dB，E面方向图零深为−30.5 dB。

水平极化微带天线阵面原理及结构与图3相仿（图略），水平极化端口被激励时，在中心频率9.2 GHz时仿真结果如图7～9所示：

图7 水平极化和方向图

图8 水平极化俯仰差方向图

图9 水平极化方位差方向图

图7表示port1口激励时，水平极化的和方向图，可以看到E面副瓣电平为20.4 dB，H面副瓣电平为20.3 dB，增益为26.7 dB。

图8表示port2口激励时，水平极化的方位差方向图，可以看到E面零深为−31.8 dB，H面零深为−32.9 dB。

图9表示port3口激励时，水平极化的俯仰差方向图，可以看到E面零深为−32.5 dB，H面零深为−31.6 dB。

3 结论

从仿真结果可以看出，在9.2 GHz的频点上，本文设计的单脉冲双极化微带天线阵性能良好，垂直极化和水平极化的方向图副瓣电平均优于−20 dB，实现了低副瓣要求。该阵的垂直极化方向图零深低于−30 dB，水平极化的方向图零深低于−31 dB，增益、主瓣宽度也都能较好地满足要求。天线差波束波形零点稍有偏移，经分析认为是振幅不平衡导致，这与天线阵的排布以及单元间距有关。这种设计如果得到应用，将会很大程度上提高单脉冲雷达抗干扰的能力。

[1]刘隆和,姜永华,徐爱强.海军战术导弹对抗与反对抗技术[M].北京∶海潮出版社,1999∶214-224.

[2]LINDMARK B,LUNDGREN S.Dual-polarized array for signal-processing applications in wireless communications[J].IEEE Trans.,1998,46(6)∶758-763.

[3]ANDREA VALLECCHI,GUIDO BIFFI GENTILI.Design of dual-polarized series-fed microstrip arrays with low losses and high polarization purity[J].IEEE Transactions On Antennas and Propagation,2005,53(3)∶1791-1798.

[4]LJ DU TOIT,JH CLOETE.Dual-polarized linear microstrip patch array[J].IEEE AP-S Dig,1987,10(2)∶810-813.

[5]梁仙灵,钟顺时,汪伟.高隔离度双极化微带贴片天线的设计[J].电波科学学波,2006,21(5)∶731-735.

[6]CHANG D C,YANG C C,YANG S Y.Dual-reflector system with a spherical main reflector and shaped subreflector for compact range[J].IEEE Proceedings Microwave Antennas and Propagation,1997,144(2)∶97-102.