一种宽带相控阵列天线的设计

张 青，张 进，赵 旭，徐远超，金志峰

（中国航天科工集团8511研究所，江苏南京210007）

0 引言

在日益严峻的电磁环境背景下，具备宽带多功能相控阵体制的雷达已成为先进雷达的重要发展方向。现代战争也对雷达提出了新的要求，可利用宽带相控阵完成对雷达、电子战、通信等多功能的一体化设计，以提高其对抗及隐身能力[1]。

要实现宽带相控阵，首先组成天线阵列的辐射单元必须具备宽带的性能，这有许多选择。TEM喇叭天线能够达到2个倍频程，并且波束对称、增益高，其他常见的宽带天线还有螺旋天线、对数周期天线等形式[2]，但都需要馈电巴伦，而且天线的体积也较大。不过在常规的相控阵天线结构要求下，上述的天线形式都不适合与后端的微波电路集成，这使得加工制作遇到了困难。

开槽天线，属于端射行波天线，通过在涂覆于介质衬底层的金属板上开槽而成，因槽的形状不同而使天线有多种形式，如指数渐变开槽天线(Vivaldi)、线性渐变开槽天线(LTSA)、固定宽度开槽天线(CWSA)等[3]，对它们激励可以采用常规的微带线、带状线等馈电结构来完成。Vivaldi天线具有体积小、频带宽、结构简单等优点，适于用作宽带宽角扫描相控阵天线的阵列单元。

1 单元结构及设计

首先进行单极化Vivaldi天线单元的仿真优化，Vivaldi天线是一种按指数规律渐变的槽形天线。在理论上，具有无穷的带宽。由于馈电方式的不同，形成各具特点、不同形式的Vivaldi天线。本文在设计中，采用了带状线的馈电方式，该形式的Vivaldi天线同微带线馈电方式相比，具有更好的宽带特性以及极化纯度，在方向图的对称性上也有一定的优势。同时，通过在天线单元上增加金属化过孔来消除频带内扫描驻波的奇异点。为减小天线的损耗，提高辐射效率，采用低介电常数的介质板材料进行设计加工，板材选用Rogers5880型号。

考虑到天线有3倍频程带宽要求，兼顾阵列天线波束扫描时的宽波束要求，选取Vivaldi天线作为天线的基本单元，天线单元结构图如图1所示，单元采用金属化过孔结构减小天线单元之间的耦合，保证天线波束扫描时的增益性能。

图1 天线单元结构

天线开口大小H、天线的长度L和指数渐变率α的大小直接影响天线的辐射性能。按照经验，设计原则[4]为：

1）天线开口的宽度分别由设计的工作频段的高、低截止频率决定，通常取开口最宽处为低频截止频率所对应工作波长的0.5倍左右，最窄处宽度为高频截止频率所对应工作波长的2%左右,考虑到宽带阵列的组阵需求，同时兼顾天线增益，天线开口选取低频截止频率所对应工作波长的0.25倍。

2）天线的长度L为0.5～1个中心频率工作波长，完成从馈电部分到辐射部分之间的过渡。

3）指数渐变曲线可由y=C1eαx+C2得到，其中为指数渐变曲线的起点和终点。

按照设计要求和以上设计原则，天线开口大小H为11.6 mm，天线的长度L为25 mm。天线单元为带状线结构。天线单元阵中无源驻波及6 GHz、12 GHz、18 GHz增益方向图性能如图2-4所示。

图2 天线单元驻波图

6～18 GHz单元天线增益E面及H面性能总结如表1所示。

表1 E面/H面增益性能

2 天线阵列的设计

图3 H面单元不同频率增益方向图

图4 E面单元不同频率增益方向图

采用8×8天线阵列进行仿真，64单元阵列天线结构如图5所示，天线阵列单元间距决定在工作频带范围内是否出现栅瓣，是否出现在实空间，阵列单元间距取d=11.6 mm。由公式d≤λ/ |1+sinθ|可以计算出此间距下天线在±45°内波束扫描不出现栅瓣频率为15 GHz，因此，在设计过程中波束扫描主要考虑15 GHz以下的设计结果，在15 GHz以上进行宽角波束扫描时会出现栅瓣。

图5 天线阵列结构

阵列天线单元驻波如图6所示，波束扫描增益方向图如图7-12所示。

图6 单元阵中驻波图

图7 H面6 GHz波束扫描方向图

图8 E面6 GHz波束扫描方向图

图9 H面12 GHz波束扫描方向图

图10 E面12 GHz波束扫描方向图

图11 H面18 GHz波束扫描方向图

图12 E面18 GHz波束扫描方向图

6～18GHz阵列天线增益沿着E面及H面扫描性能总结如表2所示。

表2 E面/H面波束扫描增益性能

3 结束语

本文提出的宽带天线采用指数渐变开槽Vivaldi天线单元形式，通过合理的设计和优化，保证天线在6～18 GHz内的匹配、二维大角度扫描等性能。该天线形式具有体积小、质量轻、易集成等诸多优点，在天线性能得到保证的基础上，使之更适合工程应用。分别仿真天线在6 GHz、12 GHz、18 GHz时的单元性能及波束扫描性能，可以看出，阵列天线在18 GHz波束扫描到45°时，会出现较高的栅瓣，这是由目前天线组阵方式及单元间距选择造成，是超宽带阵列有大角度扫描增益需求时必然出现的问题。在6 GHz、12 GHz波束扫描到45°时，E面±45°扫描波束内最小增益分别为14.1 d B、19.0 dB，H面±45°扫描波束内最小增益分别为16.0 dB、20.0 d B，波束扫描时增益性能良好。