X波段二维宽带宽扫背腔微带天线

詹珍贤，王周海

(中国电子科技集团公司第三十八研究所，合肥 230088)

X波段二维宽带宽扫背腔微带天线

詹珍贤，王周海

(中国电子科技集团公司第三十八研究所，合肥 230088)

设计了一种X波段背腔微带天线，采用探针和口径耦合相结合的馈电方式实现了小单元间距下单层微带贴片的宽带工作，并弱化了馈线寄生辐射对方向图的扰动。设计加工了8×8单元的天线小阵。实测结果表明，该天线在设计要求的2GHz带宽内驻波小于1.5，驻波小于2的相对带宽25%；方向图测试结果表明实现了方位向45°、俯仰向30°的扫描，增益22.8dB，天线效率大于80%，可满足二维宽带宽扫瓦片天线的实际应用需求。

微带天线；背腔；瓦片天线；宽带

0 引 言

随着有源相控阵天线技术的快速发展，特别是机载、星载平台的二维相扫有源相控阵雷达，对射频前端的体积、重量、设备量和集成度的要求越来越高，瓦片天线技术应运而生。瓦片天线(tile antenna)是指一种新型的高密度集成的有源相控阵天线系统，具有典型的薄而紧凑的“三明治”结构，通常由天线辐射单元、T/R组件模块、馈电网络、电源、波控、冷却管道等功能电路和结构件层叠而成[1]。与目前雷达普遍采用的砖块式结构相比，瓦片天线融合了微波高密度互联技术、MMIC技术、高密度微波封装技术以及新型电子材料等关键技术，因而在体积小、重量轻、高密度集成、易于实现模块化可扩充等方面具有显著优势，成为有源相控阵天线的重要发展方向。

天线辐射单元作为瓦片天线的关键组成部分之一，其性能指标也至关重要。与波导、振子等天线形式相比，微带贴片天线因其低剖面、轻重量、易于加工和集成等优点，成为瓦片天线辐射单元的首选方案。但是，微带贴片天线的效率较低、带宽较窄，常规单层微带贴片天线的相对工作带宽仅为3%左右[2]；特别对于二维宽扫相控阵天线而言，其大扫描角限制了天线单元间距，进一步增加了扩展带宽的难度。为了解决微带天线的带宽问题，通常采取的技术措施有多层微带贴片结构[3]、口径耦合馈电形式[4]、背腔式微带贴片[5-7]等。其中，背腔式微带贴片天线因其结构简单等优点，近年来受到了广泛关注。

本文设计了一种X波段8×8单元的平面单层微带贴片天线，其辐射单元采用背腔式微带贴片天线，馈电方式采用探针馈电和口径耦合相结合的形式，在小单元间距下实现宽带工作，同时满足了瓦片天线高集成度的要求，并采取技术措施弱化馈电微带线寄生辐射对方向图的扰动，实现了单层微带贴片天线的宽带、宽扫、高效等优良性能。

1 天线单元设计

为了满足某SAR雷达方位向±45°、俯仰向±30°的二维宽角扫描要求，根据矩形栅格天线单元间距的计算公式：

(1)

其中，λ为天线的最小工作波长，θmax为天线偏离阵面法向的最大扫描角，△为天线单元数目的倒数。因此，天线单元间距定为15.6 mm(方位向)×18.8 mm(俯仰向)。为了实现该单元间距下天线阵列的宽带工作，天线单元采用一种新型的背腔式微带贴片天线，其结构形式如图1所示，由微带电路板和带矩形空气背腔的金属结构板组成。

图1 天线单元结构示意图

微带电路板采用单层复介板，其优点是结构简单、易于加工，且不受多层微带板中粘接层的影响，可实现较高的辐射效率。其微带电路图如图2所示，上表面为馈电微带线，下表面为微带贴片，贴片中蚀刻H形缝隙。该电路的设计原理为微带线通过缝隙耦合并通过背腔底板反射为矩形贴片馈电，亦可将缝隙变换成U形等其他形状[8]。

图3所示为矩形贴片工作主模(TM01模)的电磁场分布图，可知该贴片的耦合方式是磁耦合；同时，由于贴片中部的主模电场强度为零，可将贴片中部与地连接，可以有效抑制部分高阶模式的存在，从而保证天线单元辐射方向图的带内稳定性。复介板下表面微带的地和背腔壁之间采用焊接相连。

(a) 上表面 (b) 下表面

图3 矩形贴片场分布

由于在微带贴片背后设置空气背腔，等效增加了微带基板的厚度并降低了介质的介电常数，即通过降低天线谐振点的Q值来扩展天线的工作带宽，且保持较低的损耗。设置在背腔底部的馈电探针穿过背腔，与微带板上表面的馈电微带线焊接。包围探针的介质套提供探针与背腔接地板之间的隔离，同时可以为微带板提供结构上的支撑，防止微带板向背腔内凹陷产生变形。馈电探针可采用SMP盲配连接器与T/R组件直接相连，符合瓦片天线典型的叠层结构特征，并可减小馈电损耗，提高天线效率。因此，这种探针馈电和口径耦合相结合的馈电方式，既实现了天线的宽带工作，又满足了瓦片天线高集成度的要求。由于馈电微带线在上表面即天线的辐射面，其寄生辐射对天线单元的辐射方向图会产生扰动。为抵消弱化其影响，在微带贴片中与馈电微带线对称的位置多设置了一条缝隙，如图2(b)所示，整个贴片缝隙呈“山”形。仿真及测试结果表明，该措施是有效的。

2 仿真及测试结果

在上述天线单元设计的基础上，根据某SAR雷达的实际应用需求，设计了8×8单元的背腔微带天线小阵，通过电磁仿真软件HFSS对天线单元和阵列进行了建模和仿真优化设计。微带板选用ROGERS公司的RT6002，厚度为0.508 mm，相对介电常数为2.94。设计和加工出的背腔微带天线小阵实物照片如图4所示，其背腔深度为3 mm，背腔微带天线的整体剖面高度小于10 mm(含SMP连接器)，符合瓦片天线低剖面的特点。

天线单元带内电压驻波比的仿真和测试结果如图5所示，实测结果和仿真曲线基本吻合，在要求的2 GHz带宽内的驻波小于1.5，在8.3～10.7 GHz带宽内的驻波小于2，相对带宽约为25%。在室内远场暗室对该天线小阵的方向图进行了测试，其中心频率9.5 GHz方位向和俯仰向的典型方向图如图6所示，均匀加权时的副瓣电平小于-12.5 dB，并实现了方位向45°、俯仰向30°的扫描，满足设计要求。测得增益为22.8 dB，天线辐射效率大于80%。

(a) 方位向方向图

(b) 俯仰向方向图

3 结束语

本文设计了一种X波段背腔微带天线，采用探针馈电和口径耦合相结合的馈电方式，实现了单层微带贴片小单元间距下的宽带工作，满足瓦片天线轻质、低剖面、高集成度的要求。仿真和实测结果表明该天线在2GHz带宽内的驻波小于1.5，驻波小于2的相对带宽为25%，实现了方位向45°、俯仰向30°的扫描，天线效率优于80%，说明该天线具有宽带、宽角扫描、高效等优点，可以满足二维宽带宽扫瓦片天线的实际应用需求。

[1] Kinzel J A, Edward B J, Rees D. V-band, space-based phased arrays[J]. Microwave Journal, 1987，30(1): 89-102.

[2] Kumar G, Ray K P. Broadband microstrip antennas[M]. Boston, London: Artech House, 2003: 1-4.

[3] Sabban A. A new broadband stacked two-layer microstrip antenna//IEEE Antennas and Propagation Society International Symposium, Houston, USA, 1983: 63-66.

[4] 孟庆鹏，朱乙平，季彦婷. 一种天线馈源用宽带孔径耦合层叠微带贴片阵的设计[J]. 雷达与对抗, 30(1),2010:33-37.

[5] Liu Y J,Shen Z X.A compact dual- and wideband cavity-backed slot subarray[J]. IEEE Antenna and Wireless Propagation Letters,2007,6(1):80-82.

[6] Elmezughi A S, Rowe W S T,Waterhouse R B.Cavity backed Hi-Lo stacked patch antennas//IEEE Antennas and Propagation Society International Symposium,San Diego,CA,2008:1-4.

[7] 卢晓鹏，赵怀成，赖清华.一种X波段宽带低副瓣微带阵列天线设计[J].雷达科学与技术,2013,11(2):219-222.

[8] Garg R,Bhartia P,Bahl I,et al.Microstrip antenna design handbook[M]. Norwood,MA:Artech House,2001:353-391.

An X-band back cavity microstrip antenna with wideband and 2D wide scan

ZHAN Zhen-xian, WANG Zhou-hai

(No. 38 Research Institute of CETC, Hefei 230088)

An X-band back cavity microstrip antenna is designed. Fed by probe and aperture coupling, the single layer microstrip antenna can work with wideband in compact cell spacing, and the pattern disturbance by radiation of the feeder is weakened. An antenna array of 8×8 cells is designed and fabricated. The test results show that the VSWR within the designed 2GHz bandwidth is smaller than 1.5, and the relative bandwidth of the VSWR smaller than 2 is 25%. The patterns test results indicate that the scanning angle is 45° in azimuth and 30° in elevation. The gain is 22.8 dB and the antenna radiation efficiency is better than 80%. This antenna can be applied to the tile antenna with wideband and 2D wide scan.

microstrip antenna; back cavity; tile antenna; wideband

2014-02-25

詹珍贤(1982-)，男，工程师，博士，研究方向：有源相控阵天线；王周海(1969-)，男，研究员，硕士，研究方向：瓦片天线。

TN821+.4

A

1009-0401(2014)02-0044-04