一种集成监测网络的天线阵列一体化设计

林　鑫，王化宇，吴文友，胡龙飞，黄　一

(上海航天电子通讯设备研究所，上海 201109)



一种集成监测网络的天线阵列一体化设计

林鑫，王化宇，吴文友，胡龙飞，黄一

(上海航天电子通讯设备研究所，上海 201109)

针对数字阵雷达中天线阵列与监测网络独立而导致电缆或者接插件较多的问题，设计了一种集成监测网络的天线阵列。采用缝隙耦合，实现天线阵列和监测网络的一体化设计，其具有单元级监测、高集成和高可靠性等优点。在2.8～3.2 GHz带宽内，天线单元以及监测网络总口VSWR均小于1.5；天线单元两维3 dB波束宽度θEθH= 95°×120°；监测网络总口到天线单元的插损幅度为-40 dB±1.5 dB，插损归一化相位为±10°。该设计能够很好地满足数字阵雷达宽角扫描以及内检测校正等使用要求。

天线阵列；监测网络；缝隙耦合；一体化设计

0　引言

在现代雷达系统中，特别是数字相控阵雷达系统中[1]，通道的幅相一致性误差直接影响数字波束的形成和目标的测角精度[2]，文献[3-4]均强调了各通道幅相一致性误差监测校正的重要性。因此，在数字相控阵雷达系统中，天线阵列与监测网络均扮演重要角色。

目前，数字相控阵雷达系统中，天线阵列和监测功分网络多为分立的组件，单元级的监测一般采用平行耦合线形式[5]，在天线单元馈线出口处耦合出小信号，通过电缆或者接插件连接到一个监测功分网络中，用于系统监测。其存在2个缺点：① 由于各组件分立，导致这个系统中组件较多，且需要考虑各个组件之间的安装问题；② 组件之间需要通过电缆或者接插件实现连接，降低了系统可靠性，提高了成本。

为了解决上述问题，本文提出一种集成监测网络的天线阵列的一体化设计，将天线阵列和监测网络集成为一体化阵列，从而实现单元级监测、高集成和高可靠性等优点。

1　总体设计思路

一体化阵列由3部分组成：天线阵列、监测网络和耦合电路部分。其中，天线阵列用于发射或者接收射频信号；监测网络用于合成耦合自天线单元的小信号；有别于传统的天线阵列与监测网络之间通过电缆或者接插件实现信号传输，本文在天线阵列与监测网络之间采用耦合电路，通过缝隙耦合，将天线阵列中的辐射单元馈线中部分小信号耦合到监测网络，用于监测各个天线单元幅相分布。

2　关键技术

2.1天线阵列的设计

天线阵列由8个辐射单元组成，如图1所示。为满足天线阵列±45°扫描，则天线单元间距d应满足如下公式[6]：

取天线辐射单元振子间距为55 mm，即可满足阵列±45°扫描。天线辐射单元馈线出口间距为45 mm，以满足数字TR组件的安装。

图1　天线阵列示意

其中，辐射单元采用印刷偶极子天线，文献[7-8]详细论述了印刷偶极子天线的设计。如图2所示，振子总长L=46 mm，振子宽度W=5.2 mm，振子顶端离反射板距离H=27 mm。

图2　天线单元示意

中间单元的VSWR曲线和中心频点辐射方向图图3和图4所示。

图3　中间单元VSWR

图4　中间单元E面、H面方向图

由图3可看出，该天线单元在2.8～3.2 GHz带宽内的驻波<1.5,其具有良好匹配；3 dB波束宽度θE×θH=95°×120°(其中，θE表示天线E面的3 dB波束宽度，θH表示天线H面的3 dB波束宽度)，这就为数字阵雷达天线实现宽角扫描提供了必要的前提条件。

2.2监测网络设计

监测网络采用威尔金森功分器结构形式[9]功分器示意图如图5所示。其由3级1分2等分功分器组成，其出口间距为55 mm，与天线振子一一对应。

图5　功分器示意

为了提高监测网络的抗干扰性，功分器采用带状线结构[10]，如图6所示，使用半固化片将2块介质板压合在一起。不含电路的介质板，在焊接隔离电阻处开槽(电阻槽)，用于焊接隔离电阻，以提高各个端口之间的隔离度。

图6　功分器结构示意

功分器各个端口的VSWR和IN口到8个输出口的幅相分布的仿真结果如图7、图8和图9所示。由图7可得，在2.8～3.2 GHz的带宽内，功分器各个端口驻波均小于1.3，具有良好匹配，为监测网络与耦合电路链接奠定良好基础。

由图8可得，功分器各个出口的插损幅度为9.2 dB±0.2 dB。由图9可得，功分器各个出口的插损归一化相位为±0.5°。功分器实现了等幅同相输出，满足监测网络的使用要求。

图7　功分器各个端口VSWR

图8　功分器各端口插损幅度分布

图9　功分器各端口归一化相位分布

2.3耦合电路设计

为了实现天线阵列与监测网络一体化设计，设计采用缝隙耦合实现射频信号层间耦合，即在天线单元馈线与监测网络之间的地板层开H形缝隙耦合槽，其电路结构如图10所示，其中天线单元馈线与天线振子层/监测网路下底板蚀刻在天线基板上。

图10　耦合电路结构示意

为了实现天线单元馈线与监测网络之间-30 dB的信号耦合，优化H形缝隙耦合槽尺寸，最终得到H形缝隙耦合槽参数如下：W1=0.2 mm，L1=2 mm，W2=0.4 mm，L2=2.8 mm。层间耦合的仿真结果如图11所示，其耦合值为-30 dB±1.5 dB，实现预期信号耦合。

图11　层间耦合的仿真结果

3　一体化阵列实现以及应用分析

如图12所示，将天线阵列和监测网络压合在一起，集成为一体化阵列。通过H形缝隙耦合槽，将天线单元的馈线上部分小信号耦合到监测网络的功分接口，并通过功分器合成输出，用于监测天线单元幅相分布。

图12　一体化阵列结构示意

图13给出了在2.8～3.2 GHz的带宽内，一体化阵列中各个天线单元以及监测网络总口驻波的驻波，其值均<1.5；天线单元与监测网络在图14和图15给出了在2.8～3.2 GHz的带宽内，监测网络总口到各个天线单元的插损幅相分布。监测网络总口到天线单元的插损幅度为-40 dB±1.5 dB，插损归一化相位为±10°。上述指标均满足数字阵雷达内检测校正使用要求。

图13　各个天线单元以及监测网络总口VSWR

图14　监测网络总口到天线单元的插损幅度

图15　监测网络总口到天线单元的插损归一化相位

以本文8单元阵列为例，传统的天线阵列中的天线单元以及耦合口需16个接插件，1分8监测网络需9个接插件，共计25个，而本文提出的一体化阵列接插件仅需9个，即天线单元以及监测网络总口，大幅度减少了接插件使用；层间耦合技术的应用，天线阵列与监测网络实现了无电缆连接，提高系统可靠性同时降低了工程成本。

同时，根据实际需求，可以增加或者减少天线阵列上天线单元个数，并根据天线单元个数设计监测网络，即可实现一体化阵列的扩充，具有可扩充、宽带、高集成等重要特性。

4　结束语

本文详细介绍了一种集成监测网络的天线阵列的一体化设计。天线单元采用印刷偶极子天线，其带宽覆盖2.8～3.2 GHz，3 dB波束宽度为θE×θH= 95°×120°，能够很好地满足数字阵雷达大角度扫描的需求；通过H形缝隙耦合槽，将天线单元的馈线中部分小信号耦接到监测网络中，幅相一致性良好，在实现单元级的监测的同时，实现了天线阵列与监测网络一体化设计，大大减少了监测网络与天线单元之间电缆或接插件的连接，提高了系统的可靠性，降低工程成本。

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林鑫男，(1983—)，硕士，高级工程师。主要研究方向：天馈线的设计。

王化宇男，(1982—)，硕士，工程师。主要研究方向：天馈线的设计。

The Integrative Design of an Array Antenna Including Monitoring Network

LIN Xin,WANG Hua-yu,WU Wen-you,HU Long-fei,HUANG Yi

(ShanghaiAerospaceElectronicsandCommunicationEquipmentResearchInstitute,Shanghai201109,China)

In order to reduce the amount of cables and connectors in the digital phased array antenna including array antenna and monitoring network,a novel antenna array integrated with monitoring network is presented in this paper.With aperture coupling,the integrative design of antenna array and monitoring network is highly integrated and reliable.Some technical specifications are achieved:Within the bandwidth range of 2.8～3.2 GHz,the VSWRs of antenna element and monitoring network are both less than 1.5;3 dB beam widthθEθH= 95°×120°;the amplitude of the insertion loss between antenna element and monitoring network:-40 dB±1.5 dB;the normalized phase of the insertion loss:±10°.The design satisfies the application of digital radar wide range scanning and internal monitoring.

array antenna；monitoring network；aperture couple；integrative design

10.3969/j.issn.1003-3106.2016.08.13

2016-05-12

上海航天技术研究院核攀基金资助项目(ZY2014-023)。

TN015

A

1003-3106(2016)08-0051-05

引用格式：林鑫，王化宇，吴文友，等.一种集成监测网络的天线阵列一体化设计[J].无线电工程,2016,46(8):51-55.