具备阻抗和低副瓣宽带特性的脊波导缝隙阵列天线设计*

李佳美，官正涛

(中国西南电子技术研究所，成都610036)

1 引 言

波导缝隙阵列天线口径分布易于控制，容易实现低副瓣，在雷达和通信系统中得到了广泛应用。然而缝隙阵列天线工作带宽很窄，通常的解决方案是增加天线阵面分区数，但是分区数的增多会增加馈电网络复杂度，最终增大天线整体结构的体积重量，这一缺陷使波导缝隙阵列天线在雷达领域的应用受到限制［1］。

脊波导缝隙阵列天线能够在一定程度上实现缝隙阵列天线的宽带特性，但目前对宽带缝隙阵列天线的宽带研究多为天线阻抗宽带研究，可查阅的驻波(VSWR)小于等于1.5 的阻抗带宽最优可达到14.9%［2］。对天线低副瓣宽带特性研究尚不充分，副瓣低于－20 dB的副瓣特性设计多为点频设计［1，3］，而副瓣带宽要求10%以上的缝隙阵列天线其副瓣均高于－15 dB［2，4］，文献中未见相关副瓣低于－15 dB的副瓣带宽的研究，同时对天线的副瓣带宽和阻抗带宽特性进行设计的阵列天线形式更为少见。

本文设计了一种16 元的脊波导缝隙阵列天线，用脊波导代替矩形波导，并将16 元天线阵面分成两个8 元子阵，在控制波导体积基础上展宽天线的阻抗工作带宽;又采用泰勒分布口径幅度加权和辐射缝隙近场诊断方法调整缝隙参数，优化天线低副瓣带宽;馈电采用同轴与耦合缝隙结合的两级馈电方式，减小了馈电网络的体积重量，提高了馈电系统的效率。该天线具备高增益特性，同时实现了较宽的阻抗带宽和低副瓣带宽，且采用中心馈电方案，具有更广泛的工程实用性。

2 天线结构设计

2.1 天线原理

线阵天线由顶部辐射单脊波导和底部馈电凹凸双脊波导组成，如图1所示。馈电凹凸双脊波导采用同轴馈电方式，馈电凹凸双脊波导上制有馈电耦合缝隙实现馈电凹凸双脊波导对辐射单脊波导的耦合馈电;辐射单脊波导由两个相同的单脊波导对接而成，从而将天线阵面分成两个子阵。在单脊波导上表面无脊宽边中心线两侧制有纵向偏置辐射缝隙，完成天线辐射。

图1 线阵结构图Fig.1 Structure of linear array

2.2 天线设计

本文设计主要为了实现天线同时具备较宽的阻抗带宽和低副瓣带宽，目前波导缝隙天线阻抗宽带研究较为成熟，但副瓣带宽研究中副瓣电平大于－15 dB，低副瓣缝隙天线设计多为点频设计，因此本天线设计难点在于保证天线阻抗带宽的前提下拓展天线的低副瓣带宽。

2.2.1 低副瓣宽带设计

根据上文分析，本文设计难点在于天线的低副瓣宽带设计，本文通过辐射缝隙的泰勒分布和缝隙近场优化方法［1］两种措施解决这一设计难题。

阵列天线方向图由各个阵元的功率分配决定，已有文献副瓣带宽的设计中辐射缝隙分布多为均匀分布。分析均匀分布直线阵方向图，紧靠主瓣的第一副瓣最大值比其他远旁瓣的幅度都大，因此其副瓣电平以第一副瓣电平为准，理论值为－13.5 dB，因此已有文献副瓣电平宽带研究中天线副瓣电平均大于－15 dB。为了实现天线的低副瓣设计，本文缝隙口径场幅值分布采用泰勒分布。泰勒阵列天线方向图在靠近主瓣某个区域内的副瓣电平接近相等，随后单调地减小，有利于提高天线方向性，能够更好折衷天线副瓣电平与波束宽度［5］。

图2 5 元线阵仿真模型Fig.2 Simulation model of 5 elements array

图3 天线俯仰方向图仿真结果Fig.3 Simulated result of elevation beam

由于利用泰勒分布分析、提取辐射缝隙参数过程中未能考虑辐射缝隙之间以及线阵阵元之间的互耦和边缘绕射等问题，辐射缝隙口径面的电场幅度、相位分布会与理论值有差异，造成阵列天线方向图改变，副瓣电平恶化［1］。本文采用文献［1］中所采用的近场诊断方法优化阵列天线副瓣电平。首先提取仿真结果中各辐射缝隙近场幅相参数与泰勒分布的理论值作对比，根据差异调整模型中辐射缝隙参数并重新进行仿真，反复进行上述两个步骤直到天线副瓣达到最优。另外，为减小线阵阵元间互耦，在线阵阵元间开扼流槽，使天线副瓣电平得到进一步优化。优化后方向图仿真结果如图4所示。对比图3和图4发现，优化后天线低频端副瓣电平和中频最优副瓣均有明显改善，高频端副瓣电平无明显差异，优化后阵列天线实现了6.3%的低副瓣带宽(SLL≤－19 dB)。

图4 优化后天线方向图仿真结果Fig.4 Optimized result of elevation beam sidelobe level

2.2.2 阻抗宽带设计

波导缝隙天线阻抗宽带研究较为成熟，本文结合文献［1－2］中拓展天线阻抗带宽方法，主要通过矩形波导宽边加脊、阻抗过载技术和增加阵面分区数实现天线的阻抗宽带特性。脊波导是矩形波导的一种变形，在同样横截面尺寸下，脊波导单模工作的频带比矩形波导更宽［7］。阻抗过载技术可以实现天线的良好匹配［2］。增加天线阵面分区数与阻抗过载技术结合，在拓展天线带宽的同时降低了馈电网络的复杂度，有效控制了天线的体积重量。阵列天线驻波仿真结果如图5所示，阵列天线阻抗带宽达到7.3%(VSWR ＜1.5)。

图5 天线驻波仿真结果Fig.5 Simulated result of VSWR

3 天线实验测试结果及分析

加工完成天线测试件为8 根线阵组成的面阵，样件如图6所示。处于中间位置的4、5 号通道能够较充分地考虑线阵阵元间互耦影响，测试时选取这两根线阵进行驻波和远场方向图测试。图7给出了5 通道驻波测试结果，与仿真结果相同，X 频段内VSWR ＜1.5 的驻波带宽为7.3%，但中心频率向高频发生了偏移。图8为5 通道远场方向图测试结果，频段内增益均大于16 dBi，最优副瓣为－25.8 dB，与仿真结果对比，天线增益、最优副瓣以及低频端副瓣电平均有一定恶化，X 频段内副瓣电平小于等于－19 dB副瓣带宽降到6.2%。天线测试结果显示，天线的实际工作带宽向高频发生了偏移，这主要是由于天线加工的工艺误差所致，但加工完成天线的最低副瓣以及副瓣带宽均优于已有文献［1－4］，因此，依然可得出结论:该天线具有高增益特性以及阻抗宽带特性和低副瓣宽带特性。

图6 天线实物正面结构Fig.6 Front view of the fabricated antenna array

图7 天线实测驻波比Fig.7 Measured result of VSWR

图8 天线实测方向图Fig.8 Measured result of elevation beam

4 结 论

本文设计加工了一种16×8 脊波导缝隙阵列天线，为了拓展天线阻抗带宽，用单脊波导代替传统的矩形波导，馈电采用同轴馈电与缝隙馈电结合的两级馈电方式，与传统的依靠增加天线阵面分区数来拓展天线工作带宽的方法相比，这种阻抗过载技术增大天线工作带宽同时能有效控制天线馈电网络的体积、重量，有利于实现天线的小型化设计。为了降低天线副瓣，辐射缝隙分布舍弃传统的均匀方式而采用泰勒分布，并利用近场诊断方法调整辐射缝隙参数以优化天线副瓣。为了降低线阵阵元间互耦对天线性能影响，线阵阵元间加工扼流槽以增大阵元间隔离度。天线实物测试结果表明，天线在X 频段最低副瓣达到－25.8 dB，副瓣电平带宽(SLL ＜－19 dB)为6. 2%，驻波带宽(VSWR ＜1. 5)为7.3%，与已有文献相比，该天线同时具备阻抗宽带特性和低副瓣宽带特性，工作频带内具有增益均大于16 dBi 的高增益特性，且天线体积小、重量轻，具有更广泛的工程实用性。

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