一种低剖面带状线结构的一体化阵列天线设计

邵晓龙，杨薛军，李丽娴,林 鑫，陈冬宇

(1.上海航天电子通讯设备研究所，上海 201109；2.驻上海航天局804所军代室，上海 201109)

一种低剖面带状线结构的一体化阵列天线设计

邵晓龙1，杨薛军2，李丽娴1,林 鑫1，陈冬宇1

(1.上海航天电子通讯设备研究所，上海 201109；2.驻上海航天局804所军代室，上海 201109)

基于阵列天线小型化的设计需求，设计了一种低剖面带状线结构的一体化阵列天线。天线采用带状线结构，利用两排均匀分布的金属化通孔充当带状线之间的金属隔离墙，并通过对双面印刷偶极子天线、馈电网络以及监测网络的一体化设计来实现的一款低剖面阵列天线。天线高度仅70 mm，满足在C波段18%的相对带宽内获得-28 dB的低副瓣性能。该一体化阵列天线具有结构紧凑、重量轻、可靠性强和监测功能等优点，便于和有源器件集成。同时，该天线满足实际使用要求，其设计思路和设计方法具有很好的可扩展性。

低剖面；带状线；双面印刷偶极子；一体化设计

Abstract Based on the design requirement of array antenna miniaturization,a low-profile stripline integrative array is designed in the paper.The low-profile stripline array is realized by using two rows of evenly distributed through-holes as metal isolation wall between striplines and by the integrative design of the double-faced printed dipole antenna,feeding network,and monitoring network.On the basis of achieving a very low level of sidelobe of -7 dB in the operating band，the height of antenna is only 70 mm.The integrative array antenna facilitates the integration with the active components featuring compact structure,light weight,high reliability and monitor function.At the same time,the antenna meets the requirements of the practical application,and its design idea and method are of great expansibility．

Key words low-profile;stripline;double-faced printed dipole;integrative design

0 引言

随着现代相控阵雷达技术的不断发展,要求阵列天线做到轻量、性能可靠。采用天馈一体化设计，避免天线单元与功分器相互之间采用的电缆连接,结构紧凑,集成度高,便于制造和装配,可大大降低成本,增加天线的可靠性能;同时一体化设计还适合于用印刷电路技术大批量生产,是用于大型天线阵的一种理想结构形式。在采用一体化设计的基础上，目前大量文献采用了带状线结构设计,但大都使用多层结构来实现。其中文献[1]采用了5层介质来实现了一种准空气带状线结构设计[1]；文献[2]采用了3层介质设计了一种带状线结构线阵天线[2]；文献[3]采用了2层结构完成了一种带状线结构的阵列天线设计[3]。这样会在安装过程中引入装配误差，在长期的使用过程中不同介质层之间也有产生缝隙的风险。同时，只能在馈电网络尺寸和天线性能寻找一个平衡，不能解决低剖面下的带状线之间的耦合影响。本文将天线单元、馈电网络和校正网络统一采用带状线结构，并利用两排均匀分布的金属化接地孔充当带状线之间的金属隔离墙进行一体化设计，从而实现了天线的低剖面，极大地降低了天线的高度和减小了整个阵面的重量。同时，该天线具备结构紧凑、集成度高、可靠性强和校正功能等优点。

1 关键技术

1.1 天线单元

印刷偶极子天线主要有3种馈电结构形式[4]：微带耦合馈电巴伦结构[5]、带状耦合馈电巴伦结构和带状混合环直接馈电巴伦结构。采用微带耦合馈电形式，损耗比较大，其电性能也很容易受外界复杂电磁环境的影响，而带状混合环巴伦结构仅限用于窄带系统。最终选择了一种带状耦合馈电巴伦结构的单元天线，并且采用双面辐射振子结构，不仅可获得较宽的带宽及良好的方向图特性，并且这种结构形式更容易和带状线结构的功分器实现一体化设计[6]。

本文所采用的双面印刷偶极子天线由2层厚度为1.5 mm的介质上下印刷偶极子天线、中间印刷巴伦馈电网络组成。在利用简单的传输线理论，并对平衡馈电巴伦结构进行等效电路分析的基础上，对带状线馈电巴伦结构的特性阻抗、线长和线宽等参数进行初步设计计算，并通过仿真对各个参数进行优化设计，最终得到阵子天线的具体尺寸为h=14 mm，h1=8.5 mm，h2=8.5 mm，h3=11 mm，w1=0.4 mm，w2=1 mm，w3=2.5 mm，w4=7.6 mm，w5=3 mm，其结构如图1所示。

图1 天线单元结构

经理论计算和仿真优化设计，天线单元的驻波(VSWR)仿真曲线和单元辐射方向图如图2和图3所示。由仿真结果可知，在工作频带内的驻波系数小于1.3，低频点和高频点处的3 dB 波束宽度θE>80°，θH>60°(其中，θE表示天线E面的半功率波瓣宽度;θH表示天线H面的半功率波瓣宽度)，表明该天线在H面上具有较宽的波束宽度，为相控阵雷达天线在H面实现一维宽角扫描提供了必要的前提条件。

图2 驻波仿真曲线

图3 天线单元E面和H面方向图

1.2 馈电网络

在工程设计中，采用泰勒综合法是实现天线低副瓣特性的一种常用方法。根据技术指标要求，并考虑到实际设计加工误差和单元之间的互耦影响，本文按照-32 dB的副瓣电平进行仿真设计。根据线阵各单元泰勒分布公式[7]，计算各个端口的泰勒分布值[8]。由于32个端口的馈电电流中心对称，经归一化后得到其中16个端口的电流加权分布[9]如表1所示。

本文设计的馈电网络采用带状线形式的树状拓扑结构实现，由若干个一分二功分器并联构成。为获得较宽频带内较小的幅度相位起伏，通过合理设计尽量减少大功分比，同时采用2节变换段来设计。由于对称性，可只对一半馈电网络进行设计，并利用隔离墙减小带状线之间的互耦影响，以此进行了小型化设计，最终在55 mm的高度内设计了一款1分16功分馈电网络，其结构示意图如图4所示。经阻抗变换理论计算和仿真优化设计，在工作频带((fH-fL)/f0=18%) 内可得最终各个端口的幅度和相位仿真值如图5所示。

表1 馈电网络归一化电流加权分布值

图4 结构示意

图5 1分16功分器各端口幅度相位仿真结果

1.3 监测网络

在大型相控阵天线[10]系统中，为保证天线使用时每条行馈正常工作，在使用之前需要先对每条行馈信号进行监测。本文通过耦合器从每条行馈天线的馈电口耦合出小部分信号的能量，并将各路信号通过后端的合成网络合成一路监测信号。为了避免监测信号对天线增益的影响，同时保证监测信号的有效性，故要求耦合信号比天线信号低30 dB附近。为了实现行馈天线的一体化设计，本文采用了耦合度为-30 dB的带状平行耦合线定向耦合器，经仿真优化可得H=2.06 mm,L=5.8 mm,其结构如图6所示。在工作频带内，耦合度起伏在-30 dB±0.3 dB内，仿真结果如图7所示。

图6 平行耦合线定向耦合器结构

图7 耦合曲线(仿真)

2 线阵一体化设计

如果直接将天线单元、馈电网络以及监测网络进行集成处理，仿真得到天线电性能不佳，无法满足设计指标要求。这是由于天线单元直接的互耦作用以及单元/馈网/监测网络[11]之间的阻抗失配，改变幅相分配规律，导致天线副瓣电平性能恶化。本文先将32个双面印刷偶极子辐射单元按42.6 mm等间距排列仿真，在相邻2个单元中间添加一个宽3 mm、高5 mm的金属隔离墙，这样可以有效减小天线单元之间的互耦。同时，功分网络与天线单元进行一体化设计[12-13]，通过仿真优化，微调节各级阻抗变换段的线宽，解决了天线单元与馈电网络的阻抗失配问题。取行馈天线中的一段馈电网络添加监测网络，通过优化调整平行带状线的长度和距离获得需要的耦合能量，并在馈网和监测网络之间添加金属隔离墙，尽量减小监测网络对行馈天线的影响。通过一步步的仿真优化，最终完成了对行馈天线的一体化设计，此款天线的高度仅为70 mm，其仿真模型如图8所示。

图8 天线一体化结构模型

3 线阵实现以及应用分析

行馈天线采用的是带状线结构，其是利用半固化片，将上下2块微带板粘合为一体，避免了多层结构引入的安装误差问题。同时，利用双排等间距交叉排列的金属接地过孔代替天线单元、馈电网络、监测网络之间的金属隔离墙，其孔径为0.5 mm，孔间距为1.5 mm，行距为0.5 mm，由此降低了天线重量和加工成本，且便于大批量生产。线阵外围包有0.5 mm厚的玻璃布，并采用具有插拔功能的射频接头，由此略去了以往相控阵天线研制中所使用的大天线罩，实现天线轻型化的同时，使拆装方便，提高了产品的可维护性。

通过矢量网络分析仪对这款行馈天线产品进行输入口驻波比和耦合口电平继续测试，其实测结果如图9所示。在工作频带内，2个输入端口的驻波均小于1.5，2个耦合口电平在30±1.5 dB内，满足设计要求。

图9 天线驻波和耦合口电平的实测结果

将一个等幅同相的一分二功分器两输出口分别于行馈的2个输入口连接，并在耦合口与50 Ω匹配负载连接，在紧缩场微波暗室对天线工作频带内等间隔的7个频点(1#～7#)进行方向图测试，在测试频点上的天线E面副瓣电平均小于-28 dB，其测试结果如图10所示。

图10 阵列天线实测E面方向

4 结束语

本文设计的32单元的一体化阵列天线采用带状线结构。经过实测,在C波段相对带宽18% 频带范围内输入驻波小于1.5， 副瓣电平小于-28 dB，监测信号电平为30±1.5 dB,满足了实际使用的要求。这款行馈天线的整体剖面高度小于75 mm，极大地节省了整体阵面的空间，同时降低了制造成本。采用带状线结构形式的行馈天线的实测增益与微带形式相比提高了将近1 dB，在损耗方面有了极大改善。同时在工程上采用印刷电路一体化设计，加工精度高，保证了其电气性能有很好的一致性，便于大批量生产，工程应用相当广泛。

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An Integrative Design of Low-profile Stripline Array Antenna

SHAO Xiao-long,YANG Xue-jun,LI Li-xian,LIN Xin,CHEN Dong-yu

(1.ShanghaiAerospaceElectronicsandCommunicationEquipmentResearchInstitute,Shanghai201109,China; 2.MilitaryRepresentativeOfficein804ResearchInstituteofShanghaiAerospaceAdministration,Shanghai201109,China;)

10.3969/j.issn.1003-3106.2017.08.10

邵晓龙，杨薛军，李丽娴，等.一种低剖面带状线结构的一体化阵列天线设计[J].无线电工程,2017,47(8):40-43.[SHAO Xiaolong,YANG Xuejun,LI Lixian,et al.An Integrative Design of Low-profile Stripline Array Antenna[J].Radio Engingeeing,2017,47(8):40-43.]

2016-12-19

上海航天技术研究院核攀基金资助项目(ZY2014-023)。

TN015

A

1003-3106(2017)08-0040-04

邵晓龙 男，(1988—)，硕士，工程师。主要研究方向：天馈线的设计。

杨薛军 男，(1967—)，高级工程师。主要研究方向：武器系统质量监督。