高集成层积阵列天线设计

刘小飞，郭永志，郭先松，孙 磊

(1.南京电子技术研究所，南京 210039;2.天线与微波技术国防重点实验室，南京 210039)

(3.中国船舶重工集团公司第七二四研究所，南京 211153)

0 引言

由于机载平台、星载平台以及临近空间平台限定配给能量、限定搭载重量、担负更多功能、对抗更恶劣环境的固有特征，对雷达的重量、体积要求非常苛刻。随着高集成相控阵天线技术的不断发展，天线的架构拓展延伸，通过高密度芯片级、模块级、组件级的三维融合积层，不断提高集成化程度，天线的架构体系逐步过渡到开放式、模块化方向。

因此，在高性能、高密度以及多功能等一系列约束条件下，相控阵天线面临着革命性的变化要求:不仅技术上要朝着数字化和综合化发展，同时，在产品结构及组成上也朝着集成化、轻型化和规模化方向演变。当前，三维积层组装技术的高密度高集成相控阵天线正适应于天线领域的这一发展需求，其在电子装备和系统中的地位将得到进一步强化，未来在机载、星载及空天载各型平台上都将大有用武之地。

国外在现代三维高集成天线技术的研究起步较早，在平面相控阵天线、简单共形相控阵天线的基础上[1-2]，依托机载、星载、临近空间太阳能无人机载和艇载平台的发展和需求，在天线技术方面由点到面，由器件、部件到链路和系统，相应的研发攻关工作已迈过初级阶段，向原理样机阶段迈进，技术积累仍在不断完善。近几年来，国内对机载、临近空间艇载、太阳能无人机载及星载领域也投入了大量的资源进行全方位的研究与探索。与国外的关注重点相同，国内对高集成天线阵列的研究也已开始，已开展部分器件级或模块级的研究工作。

本文首先介绍该方向的应用背景和发展趋势;第1节介绍所提出的有源阵列天线单元的物理模型;第2节针对该单元形式进行了性能分析和阵列设计;第3节所描述的测试结果展示了层积天线的工程可应用性;第4节指出层积高集成天线阵列的应用特点。

1 模型描述

本文所提出的天线单元为多层结构，共八层，如图1所示，每层(自下而上)的参数和特征如下:

第一层厚度为L1，介电常数为ε1，第一层的底部，即单元底部除馈电位置完整覆铜;

第二层厚度为L2，介电常数为ε2，该层实现垂直连接到平面传输的转换，同时实现带状线到微带线的转换;

第三层为缝隙馈电层，缝隙采用工字型缝隙，提高宽带性能，其厚度为L3，介电常数为ε3，材料可选亚龙AD系列;

第四层厚度为第一层覆铜贴片层，其厚度为L4，介电常数为ε4;

第五层为硬泡沫层，其厚度为L5，介电常数为ε5，ε5≤1.1;

第六层为第二层覆铜贴片层，厚度为L6，介电常数为ε6，材料可选相对低介电常数的印制板;

第七层为硬泡沫层，其厚度为L7，介电常数为ε7;

第八层厚度为L8，介电常数为ε8，其功能是作为宽角阻抗匹配层，简称为 WAIM层，加载了WAIM层可以拓展天线的扫描带宽，可选中等介电常数的材料。

图1 层积辐射单元三维模型图

各层之间的覆铜图形如图2所示，覆铜在介质板上实现，所有过孔为金属过孔，但对于单元整体而言，金属过孔为盲孔，加工制造过程中采用多层压合，部分过孔对于局部多层为通孔。馈电部分采用垂直互联实现，在第一层的垂直连接处装SMP接头实现馈电，转接头采用SMP连接器。

图2 层积辐射单元分层结构图

图3为天线单元的俯视图。从俯视图中可以看出天线的整体覆铜图形结构。天线单元的尺寸定义如下:单元长为Dy，宽为Dx，第二层的带状线微带线转换位置为Dyo，过孔直径为v1和v2，垂直连接的馈线宽度为f1，并联转换后的宽度为f2，微带线宽度为f3，工字型缝隙耦合的宽度为s1，高度为s2，臂长为s3，第一层贴片的边长为pl1，倒角后的边长为pl2，第二层贴片的边长为ps1，倒角后的边长为ps2。

图3 层积辐射单元二维结构图

单元设计所使用的频率为宽带内中频，中频所对应的波长为λc。天线相关参数与各介质层的介电常数见表1、表2。

表1 天线的电尺寸

表2 各介质层的介电常数

从表中可以看出，天线单元的总高度为

可见，单元剖面总高度远小于槽线单元实现的单元高度，而宽角阻抗匹配层的厚度也比较小，地板与基片之间的距离接近1/4个波长，接近理论值。从天线单元的电尺寸上可以看出已经实现了宽带天线单元的小型化。

2 性能分析和阵列设计

传统贴片天线由一块介质基片、位于介质基片上的金属贴片和金属地平面三部分构成。其辐射是由贴片边缘与金属地平面之间的等效窄缝形成的，由于沿传输线方向相距半个线上波长的两缝上电场等幅反向，因而，对应的面磁流等幅同向，根据二元阵的理论，其辐射场在贴片的法线方向呈最大值。这样的辐射机理决定了其频带狭窄的固有缺点，研究人员和工程师一直在探寻拓宽频带的途径[3-6]。归纳起来，目前贴片天线的宽频带技术大致可以有三类:1)采用低介电常数厚基板;2)采用多谐振模式，而实现多谐振模式的方法可对贴片进行开槽设计、多贴片寄生设计或者多层贴片设计;3)改进常规的馈电方式，例如:附加阻抗匹配网络、电磁耦合馈电、孔径耦合馈电、L形或者折叠形探针馈电等[7-9]。

本文综合采用以上多种扩展带宽的方式，大幅提高带宽。利用全波仿真软件对当前参数的辐射单元进行优化设计，在周期环境下，分别从扫描驻波、方向图特性、交叉极化、辐射效率等方面进行评估。层积一体化单元的扫描驻波如图4所示。

图4 有源驻波

可以看出在宽带频率内，扫描角在0°～45°范围(间隔为15°)内，VSWR均小于2.4。图5给出了天线单元的方向图与交叉极化。

图5 主极化和交叉极化方向图

由天线单元方向图可以看出，波瓣宽度很宽，天线的交叉极化均小于-25 dB。

如图6所示，在不计单元驻波损耗的情况下，其效率可达到96%以上。针对上述单元性能，对之进行阵列设计。本文按照三角形排布方式组阵，如图7所示。

图6 单元效率(不计单元驻波损耗)

图7 阵列形式

采用电磁仿真软件对该8×8阵列进行仿真优化，获得优先阵列条件下阵中单元和阵列方向图特性，如图8、图9所示。

图8 有限阵列单元特性

图9 有限阵列典型方向图(fc)

由图可见，所设计的低剖面层积单元具有良好的宽带辐射特性，能够在小单元间距条件下获得理想的宽带宽角阻抗特性，单元方向图满足天线扫描范围;驻波在工作频带内小于2.5;辐射单元为层叠结构，采用垂直互联耦合，容易实现同轴馈电，并易于与后端网络集成设计，为阵面剖面进一步降低创造有利条件;同时，该种天线易于加工，印制板加工工艺能够实现理想的误差控制，加工精度要求小于线尺寸的1%。

3 测试结果

针对上述的阵列规模，我们进行了试验件的研制和测试评估，阵列样件如图10所示。

图10 实验阵列样件

典型阵中单元的驻波特性如图11所示，在E面扫描±45°条件下，整个相应带宽范围(40%带宽)内，有源驻波小于2。而在H面扫描±45°条件下，带内有源驻波小于3，与仿真结果基本吻合。从而验证了多谐振模式拓展相控阵频带技术方案和途径的可行性。

图11 样件阵中单元扫描驻波

4 结束语

本文通过理论仿真与原理性实验研究证实了基于多谐振模式的低剖面超宽带层积阵列天线具有超宽频带特性，验证了多谐振模式拓展相控阵频带技术方案和途径的可行性;制作了8×8单元的平面层积超宽带阵列天线实验样件，通过实验测试证实了这种超宽带阵列具有40%的工作频段、±45°的大扫描范围等突出优点。

结合工程实践，该类阵列天线可以运用于机载、星载、临近空间太阳能无人机载和艇载等平台，其层积、低剖、轻量特性正适应于该类平台领域的天线发展需求。

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