一种微带相控阵天线设计

孙 姣 蒋延生 张安学

(1.驻西安地区第六军事代表室 西安 710043；2.西安交通大学 西安 710049)

0 引言

雷达不被敌方各种截获接收机截获，就可以避免被侦察、被干扰和被反辐射导弹攻击，这就促使了低截获概率(LPI)雷达的产生[1]。低截获概率的实质，就是雷达的最大作用距离大于敌方侦查接收机的最大探测距离，即雷达保证在探测到目标的同时，使得敌方接收机截获到雷达信号的概率最小化。LPI技术的应用大大提高了雷达的生存能力和作战能力[2]。

天线作为雷达系统的重要部件之一，直接影响着雷达性能的好坏和成本的高低。在近几十年当中，随着航空、航天技术的飞速发展，雷达天线也在突飞猛进地发展，经历了从传统的抛物面天线、卡塞格伦天线到波导型阵列天线的逐步过渡。然而，由于传统雷达天线主要基于机械扫描技术，存在着诸多缺点，如重量体积大、扫描速度慢、灵活性差等。相控阵技术的出现使雷达技术得到了更进一步的发展。它具有灵活性好、稳定性高、波束扫描速度快等诸多优点。通过控制各个阵元的相位，能够实现波束快速扫描，并且能够根据环境的不同自适应调节波束的指向，极大提高了雷达的性能[3]。本文结合实际天线指标要求介绍了相控阵天线综合。依据宽带宽角扫描辐射单元的要求，提出了天线单元的设计方法，设计了一种并馈双层微带天线线阵，将线阵组成天线子阵，利用HFSS软件仿真了该形式的天线子阵，加工了天线子阵，并进行了外场测试，对设计方法进行了验证。

1 方案设计

天线的总设计思想为：采用脉冲和二维接收DBF工作体制，控制电路和微波电路均高度集成，减少天线内部各单元之间的线缆连接，提高天线的可靠性和维修性。天线由天线阵面、高集成信号传输网络、信号处理、频综和本振、供电及散热设备等组成。天线的电原理见图1。

图1 雷达天线电原理图

2 天线综合

相控阵天线综合的方法有傅里叶级数法[4]、谢昆诺夫法[5]、切比雪夫综合法[6]和泰勒[7]线源综合法等。本文主要根据泰勒线源综合法进行天线综合设计，确定天线各个参数。

根据扫描范围的指标要求，考虑到天线组件的模块化设计、天线阵面结构布局的可行性以及接收天线阵面的对称性要求，天线阵面采用矩形栅格形式。雷达天线的阵面布局图见图2。

图2 雷达天线的阵面布局图

发射阵面为矩形布局方式，天线方位包含4个子阵，俯仰包含4个子阵，共16个发射子阵，工作状态时，发射T组件每通道均工作在饱和放大状态，发射天线为均匀加权，发射天线中心频率方向图见图3、图4。

图3 天线发态方向图

图4 天线发态方向图

为了满足雷达指标的要求，同时兼顾数据处理和本振功分的问题，接收阵面采用子阵式DBF工作体制，近似圆形布局方式，天线方位包含8个子阵，俯仰包含8个子阵，全阵共52个子阵。接收天线采用同时波束的方法实现方位和俯仰差波束，接收天线中心频率方向图见图5和图6。

图5 天线收态和差方向图

图6 天线收态和差方向图

3 仿真设计

高性能辐射单元是相控阵天线的核心元件，其决定了相控阵天线的扫描性能。微带天线因具有体积小、重量轻、剖面低、馈电方式灵活、价格便宜、易与导弹、飞行器共形等特点在工程上具有良好的应用背景。

本文采用矩形微带天线作为阵列天线的阵元。微带天线工作的频率为f0，矩形贴片的长宽分别为L和W，所采用的介质板厚度为h，介电常数为εr，则可通过经验公式粗略的求出矩形贴片的长宽，再通过仿真软件进行优化，这样可以大幅度地节省天线的设计时间。综合考虑，选择RO4350板材，εr为3.66，板材厚度h为0.508mm。根据上述经验公式计算出微带单元的初始尺寸为L=4.498mm、W=5.88mm。利用HFSS软件对所设计的单元天线建模，并对其进行了仿真，模型如图7所示。

图7 单层微带天线仿真模型图

经仿真发现，单层微带天线的频带比较窄。为了展宽频带，我们采用双层微带天线，天线带宽可达12%。双层微带天线仿真模型图见图8。图9和图10为双层微带辐射单元电压驻波比和增益仿真结果。

这等履历即使放在我们之前曾经介绍过的一众绝顶武人当中，都可算得上出类拔萃，然而这般高明的张三爷，却无人知其出身何门。

图8 双层微带天线仿真模型图

图9 双层微带辐射单元电压驻波比仿真结果

图10 双层微带辐射单元增益仿真结果

对微带天线单元进行组阵时，单元是通过馈电网络连接的。微带阵列天线的馈电方式有并联馈电和串联馈电，通过对比串联馈电和并联馈电的优缺点以及依据仿真结果和实际应用的需求综合考虑，最终本文选择并联馈电网络组成的阵列天线。

为避免功分网络对辐射单元性能的影响，功分网络采用一分三并行功分的形式，与辐射单元位于不同的电路层，功分器和辐射单元之间通过同轴馈电连接，实现了辐射单元和馈电网络的物理隔离，并且通过加载电感钉的匹配方式，消除了功分网络的谐振现象，展宽了微带线阵的带宽，线阵辐射单元之间通过周期性的电感钉形成高阻表面，消除了单元之间的互耦，提高了单个天线单元的增益。并馈仿真模型见图11，图12为并馈双层微带辐射单元中心频率方向图仿真结果，图13为并馈双层微带辐射单元电压驻波比仿真结果。

图11 并馈双层微带辐射单元

图12 并馈双层微带辐射单元方向图

图13 并馈双层微带辐射单元电压驻波比

该项目称为子阵式DBF天线，根据指标的要求，三个线阵组成一个子阵，子阵结构图形见图14，每个线阵通过波珠接插件与一路TR组件或者R组件焊接，即每个子阵包含3路TR组件或者R组件，子阵通过smp和J30等盲插结构与高集成的信号传输网络连接，在仿真设计时考虑固定螺钉对子阵性能的影响。子阵仿真模型图见图15。子阵电压驻波比仿真结果见图16，子阵方向图仿真结果见图17。通过仿真发现，子阵三个端口的驻波在频带范围内电压驻波比小于2；子阵方向图具有较好的对称性。

图14 子阵结构图形

图15 子阵仿真模型

图16 子阵电压驻波比

图17 子阵方向图(f0)

4 实验验证

加工一子阵进行子阵电压驻波比、有源单元反射系数(转换成有源单元电压驻波比)及有源单元方向图的测试。子阵的实物图见图18，用一块金属铝板代替瓦片式TR组件，将型号为SMP-JFD6A射频接插件焊接到微带天线板上，微带天线板和金属铝板用导电胶固定。

图18 子阵实物图

利用网络分析仪进行子阵电压驻波比测试，测试中间馈电口的电压驻波比，两边的馈电口接匹配负载，测试场景和测试结果见图19。

图19 子阵电压驻波比的测试

有源单元反射系数(转换为有源单元电压驻波比)的测试结果见图20。

图20 有源单元电压驻波比

在微波暗室进行子阵有源单元方向图测试，测试中间端口的有源单元方向图，其余的端口接匹配负载，测试场景见图21，测试结果见图22至图24，由于二维转台俯仰转动范围有限，因此，子阵方向图测试结果俯仰面只能测试±30°内的方向图。

实验结果表明：

图21 子阵测试场景

图22 子阵方向图测试结果(f0-1000MHz)

图23 子阵方向图测试结果(f0)

图24 子阵方向图测试结果(f0+1000MHz)

2)该形式微带辐射单元具有良好的端口匹配特性。子阵电压驻波比仿真与实物测试结果一致，有源单元电压驻波比的仿真结果与实际测试结果也基本可比拟。

3)该形式微带辐射单元具有良好的辐射特性。有源单元方向图的仿真结果和实际测试结果一致，波束宽度均为：H面波束宽度大于90°，E面波束宽度大于25°。该形式微带辐射单元剖面低，重量轻、成本低适合大型相控阵天线使用。

5 结束语

本文在总结研究背景的基础上对微带相控阵天线进行了研究，从方案设计出发，在仿真软件中设计所需的仿真模型，优化仿真后所得的结果可以满足预先设定的技术指标，完成了子阵加工制作以及电气性能测试，测试结果达到了预期目标，对设计方法进行了验证。