X波段宽带宽角扫描相控阵天线的设计

郑 贵，王 建，司海峰，刘华涛，马世娟

(电子科技大学 电子工程学院， 成都 611731)



·天馈伺系统·

X波段宽带宽角扫描相控阵天线的设计

郑 贵，王 建，司海峰，刘华涛，马世娟

(电子科技大学 电子工程学院， 成都 611731)

设计了一种X波段宽带宽角扫描相控阵雷达系统的小型阵列天线，该天线采用Vivaldi天线做为阵列单元。在考虑阵列单元间的互耦效应下，仿真设计了9×9小型阵列天线，使该阵列天线在相对带宽达40%下的有源驻波系数小于2，其有源单元方向图E面、H面的波瓣宽度分别达到120°、110°以上。对9×9天线阵的实物进行了加工与测试，测试结果说明了该阵列天线具有良好的宽带宽角扫描特性。因该天线结构简单，重量轻，在相控阵雷达天线中有很大的应用价值。

X波段；相控阵天线；宽带宽角扫描

0 引 言

相控阵天线广泛应用在通信、雷达、电子对抗等领域中，随着近年来相控阵雷达天线的快速发展，相控阵天线不仅要有宽频带性能，还应满足大空域宽角扫描的特点，宽带宽角扫描相控阵天线设计已是当今相控阵天线重要的发展趋势。

文献[1]提出了一种使用多层贴片天线设计的C-X波段宽带宽角扫描天线，在E面、H面的扫描范围分别为±45°、±60°；文献[2]设计了一种以Vivaldi天线为阵列单元的X波段宽带宽角扫描相控阵的单元天线，其E面、H面3 dB波瓣宽度达到90°、120°；文献[3]则介绍了一种介质切口、带状线Vivaldi阵列天线，研究了169单元阵列中的天线单元特性，在8 GHz～12 GHz的工作频带内，其8 GHz～10 GHz频带内的波瓣宽度大于100°。

本文针对X波段相控阵天线系统，设计了一种Vivildi天线为阵列单元的改进型天线阵，其阻抗相对带宽达到40%，其有源单元方向图E面、H面的波瓣宽度分别达到120°、110°以上，其辐射特性和有源反射系数特性E面、H面扫描角度分别达到±60°、±55°。

1 结构设计

1.1 单元天线

对于宽带宽角扫描阵列天线的研究是一个热门难点问题，其中，关键之一就是阵列单元的选取。根据宽带宽角相控阵天线的技术要求，天线阵元需选取阻抗频带宽，方向图波瓣宽度大的天线单元。

Vivaldi天线是由Gibson于1979年提出的一种按曲线渐变的开槽天线，理论上拥有极大的阻抗频带，非常适合做为相控阵天线的辐射单元[4]。这里我们采用带状线-槽线的馈电结构来设计Vivaldi单元天线，天线结构由两层介质层构成，馈电线位于两介质层之间，介质板两侧则为指数渐变的辐射槽缝，介质基板选用了Taconic-TLX介质板，相对介电常数为2.55、厚度为0.5 mm，如图1所示。

图1 单元Vivaldi天线模型

仿真优化Vivaldi单元天线模型，天线各部分尺寸的优化参数由表1给出，使得其E面、H面方向图拥有足够宽的波瓣宽度，图中的指数曲线方程为

y=C1epx+C2

其中，

表1 模型参数

1.2 阵列设计

小型阵列天线设计是实现大型阵列与相控阵雷达天线的必要过程。小型阵列分析主要包括阵列单元间互耦影响下中心单元的辐射特性与有源反射系数特性。因为单元间距离越远互耦效应越小，所以，阵列边缘的单元天线对中心单元影响很小。通常，设计中心单元距离阵列边缘2-3个波长的小型阵列即可模拟大型阵列天线的性能特性。

相控阵天线设计中，要求波束扫描过程中不能出现栅瓣，而具有相同天线口径时三角形排列形式相较于矩形排列，其阵列单元数量更少，可有效地减少天线成本[5]。因此，我们以Vivaldi天线作为阵列单元，采用三角排列形式设计了一个9×9阵列天线。根据阵列扫描时栅瓣抑制条件，选择天线阵列的行间距、列间距分别为dx=12 mm、dy=13.5 mm，则阵列口径直径达到5个波长。

为使天线阵列具有更好的宽角扫描特性，与常规Vivaldi天线阵相比，该天线阵有以下几点改进：

(1) 在天线阵口径面上方覆盖一层厚度为3 mm、εr=2.2的聚四氟乙烯介质板，利用宽角扫描匹配介质原理有效增加了天线阵的有源单元方向图H面的波瓣宽度，再对上端覆盖的介质板进行等距离分割(w=8 mm,dE=13.5 mm)，可有效地提高E面波瓣宽度[6]；

(2) 为减少单元天线间互耦影响，对各单元天线两侧进行去方形边槽(1.5 mm×6 mm)，基于缺陷地结构形成了类似对称阵子结构，有效展宽了有源单元方向图E面波瓣宽度；

(3) 在各行阵列单元间，添加高度3 mm的无源阵子以实现有源单元方向图的波束展宽[7]。

(4) 在天线阵列下方覆盖一层εr=1.1，厚度为2.5 mm的硬质泡沫，起固定阵列单元作用，最终的天线阵模型如图2所示。

图2 9×9天线模型侧视图

2 阵列仿真结果

2.1 远场方向图

通过三维仿真软件HFSS仿真得阵列中心单元的有源单元方向图，如图3所示；阵列全单元激励时中心频率f0不扫描和扫描60°的方向图，如图4所示；阵列单元全激励时波束不扫描的中心单元有源驻波系数仿真结果如图5所示。

图3 中心单元的有源单元方向图

图4 中心频率f0下阵列天线扫描方向图

图5 阵列单元全激励中心单元有源驻波系数

表2给出了在频率fL、f0、fH下中心单元的有源单元方向图E面、H面的波瓣宽度，其E面波瓣宽度均大于120°，而H面也大于110°；其中，fL=(1-0.2)f0、f0、fH=(1+0.2)f0分别表示在X波段内的低频、中频和高频。

表2 中心单元激励下单元方向图波瓣宽度

全单元激励时，在中心频率f0下天线波束分别在E面、H面扫描至60°时的远场方向图均未出现栅瓣，而天线阵不扫描时中心单元有源驻波则小于1.62。阵列单元波瓣宽度越宽，阵列波束扫描时增益下降越缓慢，越有利于增加天线扫描角度。

2.2 S参数计算结果

阵列分析中，已知S参数根据式(1)可计算得阵列单元的有源反射系数随天线扫描角的变化，进而得到天线扫描增益损耗随扫描角的变化，用以模拟天线阵列扫描时的有源反射系数特性与辐射特性[8]。根据图2中的坐标系，天线阵列的E面、H面分别为yoz面(φ=90°)、xoz面(φ0=0)，θ0、φ0分别为天线的扫描角度。

阵列中第i个单元天线的有源反射系数Ri(θ0,φ0)可由阵列各单元的S参数和位置向量计算而来，其表达式为

(1)

其中，

aj=|aj|exp[-j(xjkx+yjky)]

kx=k0sinθ0cosφ0

ky=k0sinθ0sinφ0

式中：(xj,yj)为第j个单元天线的坐标位置；aj为天线单元的位置向量；k0=2π/λ为自由空间传播常数；N为阵列天线单元总数。

使用HFSS仿真得阵列各单元端口与中心单元的S参数，计算出中心单元的有源反射系数随E面、H面扫描角度变化曲线，如图6所示。可以看出，在fL～fH频带内天线在E面扫描至±60°时，中心单元的有源反射系数小于0.35。而H面扫描至 时，其中心单元的有源反射系数基本小于0.35。

驻波系数与反射系数关系式为

(2)

计算出天线阵列不扫描时其中心单元的有源驻波系数随频率的变化，有源驻波系数计算结果与HFSS仿真结果吻合一致。

图6 天线的有源反射系数特性

而阵列增益随扫描角方向的损耗与有源反射系数相关，增益损耗表示为

(3)

图7a)、7b)分别给出了天线增益扫描损耗随E面、H面扫描角度变化曲线。可以看出在fL～fH频带内阵列天线在E面、H面进行±60°扫描时，其增益损耗均小于4 dB。

图7 天线的辐射特性

总结以上仿真结果，在相对带宽40%下，其有源单元方向图E面、H面的波瓣宽度分别达到120°、110°以上，其辐射特性和有源反射系数特性E面、H面扫描角度分别达到±60°、±55°，说明了该阵列天线拥有良好的宽带宽角扫描特性。

3 加工与测试

3.1 天线加工

加工得9×9天线阵列实物样件如图8所示。我们在用以固定阵列单元的天线底座上覆盖了吸波材料来减少天线底座的反射影响，并在各天线单元下端延长了天线的馈电带状线与SMA接头相连。各天线端口连接上匹配负载后，在微波暗室内测得天线阵的中心单元的有源单元方向图。

图8 天线加工与测试

3.2 远场方向图实测

图9分别给出了9×9天线阵列在频率fL、f0、fH下中心单元激励的E面、H面有源单元实测归一化方向图。

图9 天线实测中心单元的有源单元方向图

表3给出了图9中在频率fL、f0、fH下中心单元的有源单元方向图E面、H面的波瓣宽度。该天线阵列在相对带宽40%下，有源单元方向图E面波瓣宽度均大于110°，H面则大于100°。

表3 天线实测方向图波瓣宽度

3.3 S参数实测

使用矢量网络分析仪实测得各天线端口与中心端口的S参数，同样计算得中心单元的有源反射系数随天线扫描角度的变化曲线如图10所示；天线增益损耗随天线扫描角度的变化曲线如图11所示；阵列单元全激励时波束不扫描的中心单元有源驻波系数实测计算结果如图12所示。

图10 实测天线的有源反射系数特性

从以上实测结果来看，该阵列天线在相对带宽40%的频带宽度下，中心单元的有源单元方向图E面、H面的波瓣宽度分别达到110°、100°以上。除中心频率f0时有源反射系数小于0.35的H面扫描范围为±45°，而E面及H面其他频点的扫描范围基本满足±60°。当天线在E面、H面进行±60°扫描时，其增益损耗均小于4 dB。而全激励时中心单元不扫描时的有源驻波系数小于1.8。

实测结果与仿真结果相比较可知，阵列天线的有源单元方向图波瓣宽度略有变窄，中心频点f0的H面扫描角度略有减小。我们分析这可能是天线底座的影响、天线焊接差异和实测误差等原因造成的。不过仍然可以判断，该天线阵列具有良好的宽带宽角扫描特性。

图11 实测天线的辐射特性

图12 中心单元实测的有源驻波系数

4 结束语

本文提出了一种工作在X波段内的宽带宽角扫描相控阵雷达天线。从仿真和实测结果来分析，该阵列天线均具有良好的宽带宽角扫描特性，其相对带宽达到40%，有源反射系数特性和辐射特性E面、H面扫描范围基本达到±60°、±55°。对于相控阵雷达天线系统的开发，具有很大的应用前景。

[1] Infante L, Mosca S, Teglia M. Low-profile wide-band wide-angle-scan antenna array element[C]// 6th European Conference on Antennas and Propagation. Prague: IEEE Press, 2012: 638-642.

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郑 贵 男，1991年生，硕士研究生。研究方向为天线理论与设计。

王 建 男，1956年生，教授。研究方向为天线理论与设计，计算电磁学。

司海峰 男，1989年生，硕士研究生。研究方向为天线理论与设计。

刘华涛 男，1991年生，硕士研究生。研究方向为天线理论与设计。

马世娟 女，1989年生，硕士研究生。研究方向为天线理论与设计。

Design of X-band Wide-angle Scanning Phased Array Atenna

ZHENG Gui，WANG Jian，SI Haifeng，LIU Huatao， MA Shijuan

(School of Electronic Engineering,University of Electronic Science and Technology of China, Chengdu 611731, China)

An X-band wide-band wide-angle scanning phased array radar antenna is designed, and Vivaldi antenna is used as the element of the array . Considering the mutual coupling effect between array units, 9×9 array is simulated and analyzed. Working in a bandwidth of 40%, active VSWR of the array is less than 2, and satisfies a symmetric pattern with 3 dB beam width better than 120° and 110° in the E-plane and H-plane, respectively. A 9×9 array antenna is fabricated and measured, the test result shows that the antenna array has a good characteristic of wide-band wide-angle scanning. Because of the simple structure and light weight, the array has a great application value in phased array.

X-band; phased array antenna; wide-band wide-angle scanning

10.16592/ j.cnki.1004-7859.2015.10.012

郑贵 Email：zgisi2017@163.com

2015-06-12

2015-09-15

TN82

A

1004-7859(2015)10-0046-05