一种加载金属背腔的宽波束相控阵天线单元设计

朱　杨,张福顺

(1.中国电子科技集团公司第三十八研究所,合肥230088;

2.西安电子科技大学天线与微波技术国家重点实验室,西安 710071)



一种加载金属背腔的宽波束相控阵天线单元设计

朱杨1,张福顺2

(1.中国电子科技集团公司第三十八研究所,合肥230088;

2.西安电子科技大学天线与微波技术国家重点实验室,西安 710071)

摘要:设计了一种工作于UHF波段的宽波束相控阵天线单元。通过伞状印刷对称振子加载金属背腔的方式,实现了天线的水平面波束较宽、垂直面波束较窄的增益空域覆盖特性。天线带内实测驻波小于1.75,实测增益大于6.1 dB。

关键词:相控阵雷达;相控阵天线;宽波束;金属背腔

0引言

随着相控阵技术的发展成熟以及使用成本的下降[1],有源相控阵雷达已逐渐成为军事装备传感系统的主流设计方案之一。作为有源相控阵雷达的重要组成部分,相控阵天线通常要求具有波束扫描、高增益等特性,其天线单元形式的选择受到了诸多的限制。

常见的相控阵天线单元形式分为两大类[2]:一类是口径天线,如开口波导、微带天线、喇叭天线等;另一类是线天线,如偶极子天线、锥削缝隙天线、印刷天线等。在本设计中,雷达系统要求天线单元具有宽波束、重量轻、成本低、适装性好、便于排阵等特性。根据要求比对上述天线类型,选取印刷对称振子天线[3-4]作为相控阵天线单元的基本形式。为了满足天线单元的空间波束覆盖要求,本文基于印刷振子天线形式设计了一种带有金属背腔的UHF波段伞状印刷对称振子相控阵天线单元,具有增益高、波束宽且易于优化调节的优点。

1天线设计

为满足阵列±50°宽角扫描、边角扫描增益损失较小的设计要求,天线单元在满足波束增益覆盖条件下水平面波束宽度应尽可能宽、垂直面波束尽可能窄。这就对天线的波束可调整性提出了较高的要求。本文通过对天线振子外形进行伞状设计[5],使对称振子水平面波束宽度得到展宽。除此之外,为补偿水平面波束宽度展宽带来的增益损失以及提高波束宽度的可调整性,在振子四周放置金属反射板构成反射腔,压缩天线垂直面波束宽度,实现了天线波束的空间覆盖,同时也提高了天线的结构强度和适装性。天线具体结构形式如图1所示。图中,XOY面为水平面(即E面),XOZ面为垂直面(即H面),深灰色部分为介质基板印刷腐蚀加工的伞状印刷对称振子,介质基板的相对介电常数为2.65、厚度为2 mm。印刷振子四周安置了4个金属反射板,介质基板与反射板之间通过L型金属铰链进行固定安装。为便于同50 Ω标准同轴连接器进行匹配连接,印刷振子天线使用微带线转槽线馈电巴伦进行馈电[6]。表1为天线的结构尺寸,表中λ0为中心频点对应的自由空间波长。

图1　天线结构形式

L/λ0W/λ0H/λ0Hc/λ00.610.460.270.27

2金属反射板高度对天线辐射特性的影响分析

由于反射背腔的结构尺寸参数Hc对天线方向图影响显著,本节对不同金属反射板高度Hc下的天线性能进行仿真分析,其仿真结果如表2～4所示。表中fL、f0、fH分别为天线的低、中、高端工作频点,天线相对工作带宽为13.6%。

表2　0.2λ0金属反射板高度(H)下天线辐射的仿真数据

表3　0.27λ0金属反射板高度(H)下天线辐射的仿真数据

表4　0.35λ0金属反射板高度(H)下天线辐射的仿真数据

从表2～4中数据可以看出,随着金属反射板高度的增加,天线水平面波束宽度基本呈逐渐增大趋势。仅当频率为fH、高度为0.35λ0时,天线波束宽度变化趋势相反,其原因是在该频率和尺寸参数下金属反射板的作用已由原先的引向器转变为反射器,天线波束宽度受到反射压缩而变窄。经过增益和波束宽度的折中考虑,天线金属反射板高度取0.27λ0。

3天线的仿真及测试结果

根据第2节的优化结论,对天线性能进行仿真分析和加工测试,得到天线的仿真和测试结果。图2和图3分别为天线电压驻波比的仿真和测试曲线图。从图中数据可以看出,在整个工作频带内天线的电压驻波比仿真和测试结果分别小于1.6和1.75,满足天线馈电的低回波和高效率设计要求。

图2　电压驻波比仿真数据

图3　电压驻波比测试数据

图4为天线样机照片。图4中,在室外远场条件下分别对高中低3个典型频点处的天线方向图进行测试,实测数据如图5所示。图5中,方向图与天线之间的坐标关系与图3中坐标关系一致。从图中数据可以看出,天线在工作频带内的水平面3dB波束宽度为126°;垂直面3dB波束宽度为72°-78°,天线水平面波束宽度较宽,俯仰波束压窄。在偏离法线角度小于±50°的水平面内,天线增益不低于4dB,满足天线波束覆盖要求。表5为采用对比法进行测量的天线增益测试结果。从表中可以看出,工作频带内天线增益不小于6.1dB,满足天线单元增益的设计需求。综合上述测试数据可以看出,天线的方向图和增益测试结果与表2中的仿真数据具有较高的一致性,天线辐射性能实测结果良好,满足天线应用要求。

图4　天线样机照片

图5　天线实测方向图

测试频点fLf0fH增益(dB)6.16.36.4

表6、7给出了一维水平扫描时天线单元阵中扫描范围内(法线至最大扫描范围内)的辐射特性仿真和测试数值,天线单元间距为0.498λ0,阵列为一行线阵。从表中看出,天线单元在阵中的有源驻波小于2,天线增益大于6.3 dB,在水平±50°方向的增益大于3.8 dB,满足阵列波束扫描和增益覆盖需求。

表6　天线单元阵中辐射特性仿真数据

表7　天线单元阵中辐射特性测试数据

4结束语

本文基于伞状印刷振子天线设计了一种工作于UHF波段相控阵天线单元。通过加载金属背腔方式使得传统印刷振子天线具有了宽角覆盖和波束易于调节的特点,提高了天线单元在阵列波束覆盖空域的增益,天线结构形式简单、便于安装。天线带内驻波实测结果小于1.75,实测方向图和波束覆盖特性均满足阵列组阵要求。

参考文献:

[1]陈立,潘谊春,郑凯.相控阵雷达的发展[J].舰船电子工程,2009,(5):13-17.

[2]Robert J Mailloux.相控阵天线手册[M].北京:电子工业出版,2007：15-18.

[3]Ramadan A Alhalabi,Gabriel M Rebeiz.High-efficiency angled-dipole antennas for millimeter-wave phased array applications[J].IEEE Trans.on Antennas and Propagation,2008,56(10):3136-3142.

[4]常立超,王杰,苏宏艳.一种用于共形相控阵阵元的蝶形印刷折合振子的设计[J].微波学报,2012(S1):109-111.

[5]王光辉,冯祖伟.伞形印刷偶极子辐射单元研究[J].系统工程与电子技术,1997(2):1-8.

[6]Min Guo,Shun-Shi Zhong.Broadband wide beamwidth printed dipole antenna[C].IEEE International Workshop on Antenna Technology (IWAT),2012:72-75.

Design of a wide-beam phased array antenna element with metal back cavity

ZHU Yang1, ZHANG Fu-shun2

(1.No.38 Research Institute of CETC, Hefei 230088; 2. National Key Laboratory of Antennas and Microwave Technology, Xidian University, Xi'an 710071)

Abstract:A wide-beam phased array antenna element operating at UHF band is designed. The air coverage characteristics of wide beam in the horizontal plane and narrow beam in the vertical plane are realized through the umbrella printed dipoles with the metal back cavity. The test results indicate that the VSWR and the gain of the antenna are less than 1.75 and greater than 6.1 dB respectively in the operating band.

Keywords:phased array radar; phased array antenna; wide beam; metal back cavity

中图分类号:TN821.8

文献标志码:A

文章编号:1009-0401(2016)01-0041-03

作者简介:朱杨(1987-),男,工程师,博士,研究方向:电子对抗总体设计、宽带有源相控阵天线、微带天线;张福顺(1960-),男,教授,博士,研究方向:天线理论与工程、天线测量等。

收稿日期:2015-12-20;修回日期:2016-01-14