Ku波段一体化开口脊波导阵列天线

(中国电子科技集团公司第三十八研究所孔径阵列与空间探测安徽省重点实验室， 安徽合肥 230088)

0 引言

随着相控阵雷达和通信系统的快速发展，对相控阵天线性能的要求越来越高。特别是基于机载、无人机载、弹载和星载等平台的相控阵雷达，除了要求相控阵天线具有宽频带、宽角扫描、高效率的性能，还要求天线具有小体积、轻重量和高集成度的特点。开口波导天线由于具有体积小、结构紧凑、机械强度好、可靠性高、使用寿命长等优点，并且在波导内腔加载馈电单脊或双脊可以扩展工作带宽，同时缩小腔体尺寸，减轻重量，因此成为上述相控阵雷达天线的优选方案之一[1-3]。

由于器件不一致性、制造公差、装配误差等多种原因，相控阵天线系统的各通道之间必然存在幅度和相位误差，所以需要对各通道的幅相分布进行校正补偿[4-5]，使整个相控阵天线系统达到设计要求的最佳技术状态。因此，校正是相控阵天线不可或缺的重要功能。而在雷达工作时，由于器件老化、热变形和组件更换等因素也会带来通道间的幅相误差，为确保相控阵天线性能的可靠性和稳定性，还需要对相控阵天线系统进行必要的实时校正，这就要求相控阵天线具有内校正功能。

然而，对于宽带宽角扫描的平面阵列天线，受最大扫描角时方向图不出现栅瓣的限制，对天线单元间距有特定的要求。特别是对于工作在较高频段、二维大角度扫描的阵列天线，例如工作在Ku频段、二维扫描范围±60°的阵列天线，其单元间距仅为几个毫米。这么小的单元间距对相控阵天线的集成度设计提出了很高的要求，而在小单元间距天线中集成内校正通道更成为相控阵天线设计和加工的难点。

为了实现高频宽带工作、二维宽角扫描、轻小型化且具有内校正功能的相控阵天线阵列，本文设计了一种集成内校正通道的Ku波段一体化开口脊波导阵列天线。该天线采用底部同轴连接器馈电，可实现宽带二维宽角扫描，并在开口波导底部设置耦合槽和校正波导，实现了集成内校正通道的一体化天线设计。

1 天线设计

为了满足某雷达方位向±60°、俯仰向±60°的二维宽角扫描要求，根据矩形栅格天线单元间距的计算公式(1)[6]，天线单元间距定为9 mm(方位向)×9 mm(俯仰向)。在该单元间距内要求天线在Ku波段具有2 GHz的工作带宽，并具备内校正功能，这就要求天线具有很高的集成度。

(1)

式中，λ为天线的最小工作波长，θmax为天线偏离阵面法向的最大扫描角，N为该方向的天线单元数。

为了适应恶劣的雷达工作环境，本天线形式选用机械强度好、可靠性高、使用寿命长的开口波导，其结构模型如图1所示。为了扩展天线的工作带宽并充分压缩开口波导的腔体截面尺寸以满足单元间距的要求，在开口波导前后两壁设置两个方形脊。天线单元由开口波导底部的同轴连接器馈电，在其中一个脊上设置阶梯状的过渡匹配段，以实现同轴线与脊波导之间基模的转换。通过调整波导脊和过渡匹配段各阶梯结构的尺寸，可以改变开口波导天线的辐射阻抗使其与空间波传输阻抗匹配；由于过渡匹配段为渐变的阶梯状结构，可以使天线的辐射阻抗变化比较平缓，从而具有宽带工作性能，且容易加工制造。在相邻两个开口波导天线的公共壁上设置扼流槽(扼流槽深度为自由空间中心波长的四分之一)，以抵消面电流，减小相邻天线单元之间的互耦，从而提高天线的宽角扫描性能。

图1 开口波导天线结构模型图

校正波导设置于相邻两列天线单元中间的下方，采用脊波导形式以压缩尺寸。在每个开口波导底部的侧边设置耦合槽，使开口波导天线和校正波导连通，天线的一小部分射频功率将耦合到校正波导中，形成阵列天线的内校正通道。校正波导两端设置同轴连接器，实现波导同轴变换功能，提供内校正信号的输入输出接口。相邻两列天线单元的耦合槽对称设置，则一条校正波导通过两列耦合槽与相邻的两列天线单元连通，可以作为相邻两列天线单元的校正通道，从而使小单元间距的相控阵天线具有内校正功能。

由于单元间距很小，如果采用常规设计，则没有足够的空间用于布局校正波导。为了解决此问题，将开口脊波导天线的馈电连接器偏离中心设置，且相邻两列天线的连接器对称设置，为校正波导让出足够的空间。则校正波导和馈电连接器在平面上交错排列，合理布局，结构紧凑，不需要额外增加天线的整体剖面高度，实现了高集成度的一体化设计。开口波导天线的馈电连接器偏置可能会在同轴波导变换处引起额外的高次模，但只要开口波导天线具备一定的高度，高次模将迅速衰减，不会向空间辐射。天线的馈电连接器采用SMP形式，可以和后端的有源模块(如T/R组件等)直接盲配互连，采用去电缆化设计，使系统结构紧凑，同时减小馈线损耗，可以提高天线效率和系统集成度。

2 仿真及测试结果

在上述天线单元设计的基础上，设计了8×8单元的一体化开口脊波导天线小阵，通过高频电磁仿真软件HFSS对天线单元和阵列进行了建模和仿真优化设计。设计和制造出的集成内校正通道的一体化开口脊波导天线阵面如图2所示，采用多层铝板分别数控加工再整体真空钎焊的工艺方式，其截面尺寸约为100 mm×100 mm(含结构安装框架)，其剖面高度约为22 mm(含SMP连接器和校正波导)，可满足雷达系统的实际使用要求。

图2 天线阵面实物照片

天线单元带内电压驻波比的仿真和测试结果如图3所示，由于工作频段较高，对尺寸公差比较敏感，受加工制造误差的影响，实测结果与仿真曲线相比略有抬高，趋势基本吻合。在2 GHz工作带宽内的驻波小于1.8，在14.95～17.15 GHz带宽内的驻波小于2，相对带宽约为14%。内校正通道耦合度的测试结果如图4所示，工作带宽内的校正耦合度为-36～-40dB，与仿真结果相吻合，满足实际使用要求。

图3 天线单元驻波曲线

图4 校正耦合度测试曲线

在室内平面近场暗室中，对该天线阵面的辐射方向图进行了测试，采用均匀加权的阵面幅度分布，其中心频率16 GHz在方位和俯仰两个主面的典型方向图如图5所示。由于方位向和俯仰向的单元间距和单元数相同，因此两个方向的方向图基本相同。其法向方向图的副瓣电平小于-12.5 dB，3 dB波束宽度约为12.5°；测得天线阵面增益约为21.8 dB，与天线方向性系数相比较可计算出的天线辐射效率为81.7%。

同时，分别测试了方位向和俯仰向扫描30°，45°，60°的方向图，如图5所示，验证了本天线具有二维扫描±60°的能力。由于本天线阵面的单元数较少，容差能力较弱，因此在大角度扫描时波束较宽且略有变形，同时副瓣电平有所抬高(不大于-10 dB)。受天线单元因子的调制作用，在大角度扫描时，波束指向略往法向偏移；在对波束指向精度要求高的场合应用时，该偏移可以在暗室测试时通过相位补偿的方法使波束指向得到修正。

(a)方位向方向图

(b)俯仰向方向图图5天线阵面方向图测试结果(频率16 GHz)

3 结束语

本文设计了一种集成内校正通道的Ku波段一体化开口脊波导阵列天线，采用包含渐变阶梯状过渡匹配段的开口脊波导形式，充分压缩其截面尺寸，实现了宽带、二维宽角扫描的工作性能；并将馈电连接器偏离中心设置，在开口脊波导的底部设置耦合槽以及校正波导，在小单元间距的阵列天线中集成了内校正通道，使其具有了内校正功能，实现了一体化的高集成度设计。仿真和实测结果表明该天线驻波小于2的相对带宽约为14%，实现了方位向和俯仰向±60°的二维宽角扫描，天线辐射效率优于80%。本天线具有结构紧凑、体积小、重量轻、机械强度好、可靠性高、使用寿命长的优点，特别是其集成度高，可以有效提高平台利用率，适合作为机载、无人机载、弹载和星载等平台的相控阵天线。

[1] GAO W J, JIAO J J, HAN Y Z, et al. A Compact Broadband Ridged-Square-Waveguide Radiating Element for Phased Array Antennas in Synthetic Aperture Radar Applications[J]. Microwave and Optical Technology Letters, 2012, 54(3):829-833.

[2] 张洪涛,汪伟,张智慧,等. 一种新颖的圆极化波导阵列天线设计[J]. 雷达科学与技术, 2014, 12(3):329-332.

[3] 刘亚奇,尹建勇. 一种小型化宽带圆极化开口波导天线[C]∥全国微波毫米波会议, 上海：中国电子学会微波分会, 2015:502-504.

[4] 鲁加国,吴曼青,陈嗣乔,等. 基于FFT的相控阵雷达校准方法[J]. 电波科学学报, 2000, 15(2):221-224.

[5] LI F X, YANG J, CHEN J Y. Research on Onboard Amplitude and Phase Measurement for Phased Array Antenna Calibration[C]∥IEEE 11th International Conference on Electronic Measurement and Instruments, Harbin:IEEE, 2013:488-491.

[6] MAILLOUX R J. Phased Array Antenna Handbook[M]. London:Artech House, 2005:27.