星载高增益毫米波SAR 相控天线阵设计

叶 声，苏 醒，张天乐，徐显文，张丽娜，欧阳尚荣

（上海航天电子技术研究所，上海 201109）

0 引言

合成孔径雷达（Synthetic Aperture Radar，SAR）因其全天候、全天时、高分辨的对地观测能力而广泛应用于微波测绘、遥感等领域，是目前最前沿的对地观测技术之一。随着科学技术的不断发展，小型化、多功能化以及高度集成化将是未来SAR 系统的发展趋势。天线位于SAR 系统的最前端，其电性能直接影响了SAR 的工作特性，其结构大小则往往决定了整机的集成度。毫米波天线具有结构尺寸小的优点，极大地缩小系统体积。然而毫米波频段的传输损耗也较大，天线子系统需要具有较高的增益来补偿链路上的损失。传统的金属反射面天线与喇叭天线具有增益高、效率高、宽带等性能，但天线的剖面往往过高，且需要一个较大的支撑结构，难以集成到小型化的系统中。基于介质材料的微带天线具有剖面低、易共形的优点，在各种军用民用等领域得到了广泛应用，如文献［16-18］采用电磁偶极子实现了宽带高增益的毫米波天线；文献［19-20］采用多层介质板过孔模拟了开口喇叭，所设计的天线单元在60 GHz 频段增益大于8 dBi。然而微带天线在毫米波频段的损耗会增加，当组成阵列时会影响阵列的辐射效率，因此阵列一般采用基片集成波导实现馈电网络。基于金属波导结构的缝隙天线具有损耗小、增益高、效率高的优点，且性能稳定，适于星载毫米波SAR 系统设计。传统的波导窄边缝隙天线为了有效激励辐射场，辐射缝隙需要旋转一定的角度，抬高了天线交叉极化电平。此外，对有源通道数目较大的相控阵天线，阵面与射频前端之间仍需通过大量的射频连接器及同轴电缆连接，一方面增加了损耗，降低了天线的实际增益，另一方面提高了系统的复杂度。

本文围绕星载毫米波SAR 对于高性能天线子系统的需求，研究设计了高增益高效率的波导缝隙相控阵天线。天线采用与波导宽边垂直的辐射缝隙结构，同时优化设计了波导馈电及定标网络。

1 天线单元与直线阵

天线单元结构如图1 所示，天线采用金属波导缝隙结构。单元缝隙开在了波导的窄边，波导的尺寸为，壁厚为0.8 mm。与传统的倾斜缝隙天线不一样，这里采用非倾斜缝隙结构，即辐射缝隙方向与波导宽边方向垂直。缝隙切入波导宽边的深度为，缝隙的宽度为。为了有效激励起波导内的辐射模式，在每个缝隙的两端加入金属扰动块。扰动块长为，宽为，高度为。相邻缝隙的扰动块成反对称放置。图1 中显示了单元数为2×12 的一段直线阵，为了保证阵列口径的均匀性，直线阵内缝隙的参数一致，各缝隙均匀排布，间距为。能量从波导的一端馈入，波导的另一端短路，各缝隙等效为串联馈电。

图1 天线单元及直线阵图Fig.1 Diagram of the antenna element and the linear antenna array

为了保证阵列的紧凑特性，选用减高波导，尺寸为=0.6，=0.25。各缝隙等幅同相馈电，因此缝隙间距为/2（为中心频率的波导波长）。根据缝隙的谐振条件，由如下公式确定缝隙切入的深度：

扰动块的高度及长度决定了波导对其所在辐射缝隙的馈电能量大小，同时又影响着端口的阻抗特性。采用商业仿真软件HFSS 对直线阵进行建模并仿真及对于直线阵驻波的影响，直线阵含24 个缝隙单元，并从中心馈电，仿真结果如图2和图3 所示。随着从0.13增加到0.17，天线中心频率的电压驻波比（Voltage Standing Wave Ratio，VSWR）从约2.5 开始下降，在=0.15有最小值1.1，随后增大至＞3。随着从0.09上升至0.13，中心频率的VSWR下降再上升，在=0.11时，带内的VSWR 平均较小。单元的最终结构参数见表1。

表1 天线单元结构参数Tab.1 Parameters of the antenna element

图2 不同Hs对直线阵VSWR 的影响Fig.2 Effects of Hs on the VSWR of the linear antenna array

图3 不同Ls对直线阵VSWR 的影响Fig.3 Effects of Ls on the VSWR of the linear antenna array

由所设计的直线阵沿长边放置，结合波导功分器可在方位向组成更大的直线阵列以得到更高的增益。功分网络有2 种实现形式，如图4 所示。若采用H 面T 型结波导功分器，两级功分器高度过高，如图4（a）所示。若采用E 面T 型结波导功分器，通过在波导的宽边进行折叠，能有效降低了整体功分器的高度，如图4（b）所示。

图4 T 型结波导功分器Fig.4 T-junction waveguide power divider

最终设计的天线直线阵列如图5（a）所示，阵列含96 个缝隙单元。仿真结果如图5（b）和图5（c）所示，直线阵的电压驻波比在带内小于1.3。阵列的仿真增益为27 dB，仿真的主极化（Co-极化）和交叉极化（X-极化）方向图的对比如图5（c）所示，交叉极化小于-47 dB，表明天线具有良好辐射特性。

图5 96 元直线阵结构及仿真性能Fig.5 Structure of the 96-element linear array and its simulated performance

续图5 96元直线阵结构及仿真性能Continued fig.5 Structure of the 96-element linear array and its simulated performance

2 天线子系统

2.1 系统布局

有源相控阵天线的组成框架如图6 所示。相控阵沿方位向由1×8 个子阵列组成，每个子阵列内包含84 个直线阵，沿距离向并排放置，间距为0.67，每个直线阵后端接T/R 组件形成有源通道，全阵共672 个有源通道。天线收发分时工作，通过T/R 组件的内置开关进行收发状态切换，全阵的T/R 组件通过馈电网络进行连接，并汇总至雷达信号输入/输出端口。相控阵前端包括天线直线阵、T/R 组件、子阵列的馈电及定标网络和全阵列的馈电及定标网络。各部组件的连接关系如图6 所示。在天线直线阵的端口集成了耦合器，定标信号由耦合器进入有源通道或从有源通道输出至终端，从而能对各通道的幅相特性进行在轨监测。

图6 相控阵天线框架Fig.6 Diagram of the phased antenna array

图6 所示的相控阵包括了数量众多的直线阵、T/R 组件、馈电及定标网络，各部组件之间的连接是影响阵列集成的关键因素。若采用传统的同轴电缆进行射频连接，则需大量的电缆及转换接头，存在以下不足：提高了阵列内的传输损耗及噪声；提高了阵列的复杂度，扩大了占用空间；降低了通道间的一致性；提高了加工成本，尤其是部分电缆需严格配相；各电缆间相互缠绕，存在电磁兼容方面的风险。

为了克服所述的不足之处，这里采用波导功分器来实现所有的射频传输网络，并从结构上考虑和波导天线阵面紧密集成。在连接上，T/R 组件采用盲插的射频接头，并以整个天线阵作为安装载体，紧扣于天线背面；天线和射频网络的连接则采用标准的波导端口，各个网络以天线阵面作为安装载体，集成于阵面背面。通过此方式，整个射频前端紧密的集成在一起，且不需要使用同轴电缆。

2.2 波导网络

天线的射频网络主要包括定标及馈电网络。对于子阵列内的定标网络，其耦合端口设置在直线阵的馈电端口。定标过程如下：发射定标时，T/R组件的输出射频信号大部分经波导管进入直线阵并往外辐射，小部分作为定标信号经波导管上的耦合口进入定标网络并传输至SAR 的后端处理单元，接收定标过程则与上述相反。实际工作时，由于天线本身无法实现完全的阻抗匹配，馈往直线阵的返回波也会通过耦合端口进入定标网络形成干扰信号，从而恶化各定标通道的一致性及带内起伏特性。本方案使用紧凑的定向耦合器对干扰信号进行隔离，如图7（a）所示。波导管上设置了两个耦合小孔，从辐射端口返回的干扰信号经耦合口进入定标波导时，将馈往匹配层并被吸波材料吸收。使用HFSS 对该耦合器进行仿真如图7（b）所示，耦合系数在带内起伏小于0.3 dB。

图7 定向耦合器结构图及仿真的耦合系数Fig.7 Directional coupler structure and simulated coupling coefficients

子阵的定标网络最终设计如图8 所示。网络是一个84 路的功分器，由若干波导T 形结级联组成。定向耦合器集成在功分器的末端，通过耦合端口与84 路天线直线阵连接。

图8 子阵定标网络结构Fig.8 Structure of the subarray calibration network

子阵内的馈电网络由多级T 形结功分器进行级联而成。为了保证各有源通道之间相互隔离，T形结功分器采用波导魔T 结构，如图9（a）所示，仿真的参数如图9（b）所示，在带内反射系数小于-25 dB，隔离度大于20 dB，在中心频率大于35 dB。最终合成的子阵馈电网络结构为一个28 路的功分器，如图10 所示，各分端口分别接一个3 通道的T/R 组件。

图9 魔T 结构及仿真S 系数Fig.9 Magic T structure and simulated S parameters

图10 子阵馈电网络结构Fig.10 Structure of the subarray feed network

全阵的馈电及定标网络均为8 路的波导功分器，类似地，由多级T 型结功分器组成，T 型结采用波导魔T 结构。全阵与子阵的不同网络之间的连接通过BJ320 标准波导接口进行装配。

2.3 系统集成

基于所设计的天线与波导网络，一个用于星载毫米波SAR 的相控阵天线射频前端结构如图11 所示。其中子阵的定标及馈电网络与84 路直线阵集成一体化加工并焊接，以减少人工装配带来的误差，最终形成8 个子阵列。各子阵列先安装在碳纤维框架上，T/R 组件通过SMP 接插件平扣于子阵背面，中间是配以控温的铝蜂窝金属板。全阵的馈电及定标网络跨过碳纤维框架并与各个子阵列内的网络端口连接，两者通过金属螺钉紧密固定，最终形成完整阵面。整个天线子系统不使用射频同轴电缆，结构紧凑，传输损耗小且各通道一致性良好。

图11 天线全阵的装配Fig.11 Assembly diagram of the antenna array

3 实验结果及分析

对天线进行加工，实物如图12 所示。方向图测试在平面近场进行。由于天线是收发共阵，接收、发射分时工作，测试过程中，利用探头分别测得每路收/发通道的相位及幅度，然后对组件的收/发通道进行移相和衰减，最后分别测出天线的近场电场数据，并推算出对应的远场方向图。当天线工作在接收状态时，测试结果如图13 所示。当天线工作在发射状态时，测试结果如图14 所示。图中同时给出了阵列在距离向扫描至15°时的方向图。实测方向图与仿真基本吻合，扫描范围内旁瓣小于-12 dB，差异主要是由加工精度及有源器件工作状态的不一致性导致的。采用标准增益喇叭作对比测试可得到阵列天线的等效全向辐射功率（Effective Isotropic Radiated Power，EIRP）值，由于各T 通道的发射功率值为已知值，取全阵平均值得值，根据EIRP=+可计算天线的增益值，天线的增益约为54.37 dBi，口径效率65.2%，表明了天线设计的有效性。

图12 全阵天线子系统集成的结构Fig.12 Structure of the whole antenna array subsystem integration

图13 阵列天线工作在接收时的方向图Fig.13 Farfield patterns of the antenna array at the receiving state

图14 阵列天线工作在发射时的方向图Fig.14 Farfield patterns of the antenna array at the transmitting state

4 结束语

本文介绍了一个结构紧凑的高增益星载毫米波SAR 有源相控阵天线设计。天线采用了非倾斜辐射缝隙的波导窄边开缝结构，提高了直线阵的增益，进一步采用波导结构设计天线的馈电网络及定标网络，减小了网络的传输损耗并提高了各通道的一致性。

仿真及实测的结果均表明，所设计的相控阵天线具有高增益、高效率特性，且天线在距离向具有±15°的扫描能力，天线在结构上具有紧凑、低剖面的优点，所设计的天线子系统可以用于未来的星载毫米波SAR 系统中。