一种宽带宽角扫描相控阵天线的设计

宋长宏 吴 群 张文静 路志勇

（1.哈尔滨工业大学电子信息工程学院，黑龙江 哈尔滨150001；2.中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄050081）

引 言

宽带相控阵天线广泛应用在通信、雷达、电子对抗等领域中，在雷达、通信等系统不仅要求天线宽频带工作，而且要求天线大空域覆盖和宽角扫描.宽带相控阵天线设计仍面临着非常大的挑战，因为随着工作频率的改变，天线阵中单元间距电尺寸也随之改变，同时天线波束可实现的扫描范围也随之改变.传统的相控阵天线单元采用等间距摆放，为使天线在宽频段内实现波束扫描，需要单元间距小于高端频率对应的波长，通常在0.5～0.7个高端波长左右［1］，这对天线单元的设计提出了非常高的要求，如果天线单元尺寸过小，天线性能在频率低端是很难保证的，而且阵元间的互耦效应显著增大，所以工程实现难度极大［2-3］.

文中提出一种宽带相控阵天线的设计方法，天线单元采用不等间距放置，实现了宽频带内对方向图栅瓣的有效抑制，4.5个倍频内可视区内只有一个主瓣，同时实现宽频段范围内±30°波束扫描.

1 阵列设计方法

1.1 基本原理

阵列单元采用不等间距阵列摆放，单元位置服从一种数列排布，此数列具有两个特性；

1）数列所有正差数不重复，其中正差数的数量为N（N-1）／2，N为天线单元数量；

2）满足条件1）的数列最后一项为最小.

设天线线阵的长度为Lm，d为阵元间距的单位刻度，N为单元数量，xm为上述差不重复数列，它们满足：

为使方向图在扫描到最大角度时，可视区内不出现栅瓣，单元间距单位刻度d应满足：

式中，θm为波束扫描最大角度.

以单元数N＝8为例，差不重复数列为0，1，4，9，15，22，32，34，其中所有的正差数为1，4，9，15，22，32，34，3，8，14，21，31，33，5，11，18，28，30，6，13，23，25，7，17，19，10，12，2.表（1）中给出N＝3～9的差不重复数列.

表1 N＝3～9的差不重复数列

1.2 宽频带辐射特性

利用上述数列排布，选择单元数N＝8，天线工作在4.5个倍频，λmin为天线工作高端频率fh对应的波长，天线工作低端频率为fl，天线工作中心频率为fm.当天线扫描±30°时，确定数列单位刻度d＝0.67λmin，这样八单元的阵列排布为0d，4d，9d，15d，22d，32d，34d，当阵列长度和阵元数相同时，依据阵因子公式（3），得到等间距阵因子方向图和不等间距阵因子方向图，如图1（a）、（b）所示，图1（c）为不等间距阵扫描30°时阵因子方向图.

图1 8单元不等间距阵辐射方向图

从8单元服从差不重复数列排布的阵因子方向图仿真结果来看，天线阵在4.5个倍频内实现对栅瓣的压制，同时满足宽频带内波束扫描30°在可视区内只有一个峰值，而等间距阵因子方向图在可视区内出现了大量的栅瓣，验证了服从差不重复数列的阵列天线具有宽频带辐射特性.

1.3 优化设计

上述例子为单元数较少的情况，当单元数比较多时差不重复数列的最后一项就会比较大，导致阵列的长度Lm很长，无法满足工程需要，以N＝16为例数列最后一项x16＝177，显然这个阵列的口径长度过大.采用N＝8和N＝9的组合实现改进型16元不等间距阵列的排列，经过组合得到的N＝16的序列组合为0，1，4，9，15，22，32，34，37，43，51，53，66，73，77，78，其中d＝0.67λmin，这样阵列长度缩短了近一半，阵因子仿真结果如图2所示.

图2 16单元不等间距阵辐射方向图

从仿真结果来看，改进型的不等间距阵同样满足在4.5个倍频内实现对栅瓣的压制和扫描30°的要求，随着频率的升高，阵列的方向图波束宽带逐渐变窄，波束宽度WB可根据公式（4）进行估算，16元阵旁瓣特性优于8元阵旁瓣，满足差不重复数列的旁瓣电平LsL可根据公式（5）进行估算.

2 阵列天线全波仿真

2.1 宽频段天线单元

Vivaldi天线作为一种宽频带、高增益的行波缝隙天线，适合作为不等间距阵列的基础辐射单元.采用微带形式设计该Vivaldi天线单元，其基本原理是：通过微带传输线把能量耦合到贴片上，并通过渐涨喇叭口，其中不同的频点对应的相应半波长缝隙宽度［10-11］.

如图3所示，天线单元采用微带线馈电，使用单层介质基板，介质两侧分别是微带线-槽线巴伦和采用指数渐变线的辐射喇叭.介质基片采用TACONIC公司的TLX，厚度为1mm，相对介电常数为2.55.

图3 Vivaldi微带天线外形结构

采用Gipson提出的Vivaldi天线指数曲线模型：

式中：r为辐射曲线的渐变系数；（x1，y1）和（x2，y2）为起始点坐标；C1和C2由渐变线的起始点来决定，

经过优化设计得到天线外型结构尺寸，其中喇叭张口W＝75mm，喇叭长度H＝130mm，开路扇形半径R＝19.2mm，指数线的系数r＝0.08，起始点坐标为（0，0.75）mm，（90，37.5）mm.利用三维电磁场仿真软件对Vivaldi天线进行了仿真计算，高、中、低三个频点的H面（扫描面）方向图如图4所示.

图4 Vivaldi微带天线H面方向图

从仿真结果来看，方向图波束宽带随频率升高逐渐变窄，频率低端-3dB波束宽度为121°，频率高端-3dB波束宽度为96°，较宽的波束宽度对宽角扫描阵列天线是非常重要的，主要体现在宽频带范围内波束扫描增益损失较小，旁瓣电平随波束扫描抬升较小，带宽内天线增益大于3dB.

2.2 宽频段天线阵列

利用上述优化设计的Vivaldi天线单元，依据16元阵列的排列方式进行全波仿真，三维电磁仿真软件（High Frequency Structure Simulator.HFSS）仿真模型如图5（a）所示，经过仿真得到阵列辐射方向图如图5（b）、（c）所示.

从阵列方向图仿真结果来看，未扫描的方向图宽频带内只有一个峰值，与阵因子方向图比较旁瓣电平有所下降，主要是因为单元方向图与阵因子方向图乘积引起的.当波束宽频带内扫描时，如图5（c）所示，方向图旁瓣有所抬高，带宽内依然只有一个峰值.

图5 阵列全波仿真

3 阵列实测结果

加工了天线阵列实物，如图6（a）所示，由于天线阵列为大间距排列，天线单元间的互耦较小，天线单元采用印制电路板（Printed Circuit Board，PCB）加工工艺，一致性较好.采用宽带功分器对阵列进行合成，相位分布采用电缆延迟实现.方向图测试结果如图6（b）、（c）所示

从实测结果来看，天线阵列方向图在宽频带范围内实现在可视区内只有一个主瓣，同时随着波束的扫描旁瓣逐渐升高，尤其是频率高端旁瓣抬高较为明显，主要是单元波束在频率高端过窄所致，方向图的测试结果基本验证了仿真的结果.

图6 阵列实测结果

4 结 论

文中提出了一种服从差不重复数列的不等间距阵列的设计方法，通过仿真计算实现了天线阵列方向图宽频带辐射、扫描特性，并加工制作了16单元宽带阵列.实测结果表明，利用差不重复数列的不等间距阵列可以实现宽频带内良好的栅瓣抑制和宽角扫描特性，此种阵列天线设计方法可应用在要求单元数量较少，方向图分辨率高的宽带、宽角扫描相控阵天线系统中.

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