一种频相扫阵列天线研究

吴映锋 刘华林 王欣 陈斌

(1.南京理工大学,南京 210094;2.中国人民解放军 63961部队,北京100012; 3. 零八一电子集团有限公司科技分公司,成都611731)

一种频相扫阵列天线研究

吴映锋1,2刘华林3王欣3陈斌3

(1.南京理工大学,南京 210094;2.中国人民解放军 63961部队,北京100012; 3. 零八一电子集团有限公司科技分公司,成都611731)

研究了一种频相扫体制的阵列天线．天线采用空气带状线结构的馈电网络,结合宽带单元天线,实现了该阵列天线在一维上频扫、另一维相扫的特性．通过仿真、优化确定各部分尺寸,并对其进行了实物加工和测试,测试结果表明:1)空气带状线馈电网络的损耗相对较小,平均为2.5 dB;2)该阵列天线的相对带宽达到14.7%(在雷达领域属于宽带天线阵列),其二维扫描角度均大于60°,在全带宽范围内,副瓣电平优于-18.5 dB,实现了一种频相扫体制的阵列天线．

慢波线;频相扫;宽带天线;低损耗;低成本

DOI 10.13443/j.cjors.2016112902

引 言

20世纪70年代以来,在一维相控扫描天线发展的基础上,二维相控扫描天线得到了快速的发展．二维相控扫描天线使得天线波束在俯仰面和水平面都具有快速扫描能力,由于天线阵面不需要转动,能够以高数据率进行搜索和跟踪,然而成本却成为制约相控阵雷达进一步发展的重要因素之一．对于二维相控阵天线,每一个单元后端需接一个包含移相器T/R(Transmitter and Receiver)的收发组件,当天线阵面很大时,仅T/R组件的成本就占据了整个相控阵天线系统的大部分． 为了降低雷达系统的成本,频相扫体制的雷达系统应运而生,该体制下的雷达系统为一维相扫、另一维频扫,频扫维不需要移相器即可完成空域扫描,从而有效地降低了成本．虽然频相扫体制的雷达系统具有成本优势,但同时也存在诸多限制．

频扫天线是当天线工作频率发生变化时,波束指向随之发生变化的一种天线形式,通常有两种实现方式:第一,独立的一个频扫天线,例如漏波天线,当闭合或开口波导所引导的波被连续地或周期地扰动时便会产生漏波,利用漏波结构设计的天线为漏波天线[1-2]．漏波天线的口面场分布是连续的．漏波天线具有结构简单、效率高的优点[3],但是扫描角度受到限制[4]．利用双波束技术或者双天线机械上的倾斜,也可以实现大扫描角度[5-8],但会使得天线口径增大或者增益降低．因此,许多学者分析了后面第二种方式．第二,较多单元天线按照一定的排布方式,并通过馈电网络将其连接形成一个频扫阵列天线,这些单元天线的馈电是一个离散的分布,但每个单元的馈电共同组成并实现了类似于第一种独立频扫天线的连续口径分布,而这种阵列的关键是如何设计一种合适的馈电网络完成对每个单元天线的馈电,通常采用的馈电网络形式为波导慢波线、微带慢波线等形式．但波导慢波线损耗较低,其构成的频扫阵列通常有体积大、重量大的缺点[9-12];微带慢波线[13]则面临结构复杂或损耗较大的缺点,同时,由于存在着介质损耗、金属损耗和辐射损耗,消耗在微带慢波线上的能量较大,降低了天线性能[14]．

本文针对上述存在的问题,研究了一种采用空气带状线形式的馈电网络,结合宽带振子单元天线共同实现了频相扫阵列天线的相关特性．

1 频扫慢波线

一般的,慢波线分为波导型[15-16]、微带线型[5]、带状线型[17-18]、波导-微带混合型[5]以及同轴线型[19]等,不同形式的慢波线在不同程度上存在损耗较大、体积庞大、重量大等问题,本文分析了一种宽带低损耗慢波线结构,即空气带状线,其结构如图1所示．

图1 空气带状线结构示意图

空气带状线由中心导带和上下包围的金属接地层组成,中间为空气介质,其常用工作模式为传输TEM波．

通过分析计算,对比了介质带状线和空气带状线的损耗情况:1)介质带状线.有计算表明[20]:对于介电常数为2.2、阻抗为50 Ω的介质带状线,其每一波长的损耗约为0.05 dB,当直线介质带状线长度达到100个波长时,其理论计算的损耗约5 dB,而通常介质带状线为弯曲形式,考虑这一实际情况下介质的不均匀性、弯折线以及互耦的影响时,其总的损耗有可能达到7 dB以上;2)空气带状线.本文通过Ansoft HFSS计算了空气带状线的损耗,计算得到每一波长的损耗约为0.01 dB,当直线空气带状线长度达到100个波长时,其理论计算的损耗约1 dB,即使考虑实际情况,空气带状线的损耗也远低于介质带状线的损耗．

从以上分析可以看出,空气带状线在损耗方面具有一定的优势．

2 功分网络设计

根据以上分析,给出了一种采用空气带状线的频扫慢波线功分网络,其结构拓扑图如图2所示,该功分网络主要由空气带状线和分支线耦合器组成,分支线耦合器结构如图3所示．

图2 空气带状慢波线馈电网络拓扑图

图3 分支线耦合器仿真模型

整个功分网络由5个子阵构成,其中子阵5是一个一分四功分网络,子阵5的四个输出口分别给子阵1～4馈电．子阵5的一分四功分结构和子阵1～4为串馈形式,而子阵1至子阵4之间是并馈形式,因此整个慢波线为一个串并馈相结合的结构形式．

采用四分支结构的分支耦合线结构是为了展宽工作频带,由幅度分布可算得从空气带状线耦合到天线单元的耦合量,根据该耦合量的大小,通过调整图3中输出端口3和4的功率分配,从而满足整个慢波线输出到天线端口的幅度分布要求．

采用仿真软件HFSS对所设计空气带状线馈电网络进行仿真计算,图4、图5分别为18个输出端口的幅度曲线和相位曲线．幅度按-35 dB泰勒加权,同时,仿真得到的该馈电网络中最长一路(约85个波长)的损耗在中心频率时约为1 dB．

图4 空气带状慢波线馈电网络输出幅度曲线

图5 空气带状慢波线馈电网络输出相位曲线

3 宽带单元天线

为了实现宽带的特性,单元的选取至关重要,这里选用的是带寄生贴片的印刷振子天线,其结构示意图见图6．该单元天线采用带寄生贴片的形式,仿真得到的单元驻波如图7所示,可以看出,在整个频带上(2 GHz)驻波小于1.12．方向图如图8所示,E面方向图较宽,这样会减少频扫面在扫描时天线增益的降低．

图6 带寄生贴片的印刷振子天线单元仿真模型

图7 印刷振子天线驻波

图8 印刷振子天线中心频点主平面方向图

4 频相扫天线阵列设计与仿真

由于受阵列天线扫描角和间距的限制,阵列在排布时采取三角形栅格排布,两行馈电网络组成一组三角形排列,共6组来组成整个阵列．整个阵列的排布结构示意图见图9．

图9 三角形栅格排列示意图

按照相关理论公式,可计算出阵列尺寸:

1)方位面内相扫维的长度

波宽与阵列长度的关系为

(1)

天线按-35 dB副瓣考虑时,k取67,同时,波束宽度为1.7°,则阵列长度l=1 245 mm．

2)俯仰面内频扫维的长度

同上,当θBW=5°,阵列长度为l=400 mm．

根据扫描范围及三角形排布方式可以计算出单元间距,经计算,相扫维的单元间距为20 mm,频扫维的单元间距为22 mm．

阵列长度和单元间距即可决定相扫维和频扫维的单元个数:

则天线阵列单元数为64×18=1152．

按照计算得到的参数,利用仿真软件HFSS对阵列特性进行仿真,结果如图10所示．可以看出,当频率发生变化时,波束扫描至一定的角度．在低频时,波束扫描角为34°;中频时,扫描角为-0.7°;高频时,波束扫描角为-30.3°．

图10 低频、中频、高频时频扫面方向图

5 频相扫阵列天线实物测试

根据设计,对天线进行了实物加工,并测试了相关性能,图11为加工出来的天线行,图12为最终天线行和馈电网络组装好后的实物图．

图11 天线行实物照片

图12 频相扫天线样机实物图

首先,在微波暗室里对天线频扫特性进行测试,图13给出了天线在低频点、中频点、高频点的频扫维实测方向图．从实测方向图可以看出:1)低频时对应扫描角为35°,高频时对应扫描角为-28°; 2)天线在不扫描时(法线方向)副瓣优于-25 dB,扫描到左右最大角度时副瓣优于-18.5 dB; 3)整个扫描范围大于60°,与仿真结果基本一致; 4)频带为1.4 GHz,带宽约为14.7%．

其次,对相扫特性进行远场测试,法线频率下测试的结果如表1所示．

图13 天线低频、中频、高频点实测方向图

表1 相扫特性测试结果

从表1可以看出,在法线频率下,相扫到±30°时频扫面波束发生了偏移．初步分析主要是因为频扫面与相扫面在扫描时产生了耦合,从而使得在测量一个面的参数时另一个面的波束发生了偏移,同时,测量的平面也发生偏移,因此表1中±30°的数据存在误差,这个现象需要后期进行更深入的测量和分析．同时,左右副瓣电平有差异,初步考虑是由于远场测量时由地面的反射造成的．

对馈电网络的损耗也进行了测试,由于加工及材料特性的影响,实测的损耗比仿真值大,平均为2.5 dB,但仍比其他馈电形式的损耗小．

6 结 论

文中给出了一种宽带、低损耗、低成本的频相扫天线设计,馈电网络采用损耗较小的空气带状线通过串并馈相结合的方式来实现,单元天线采用宽带的印刷阵子天线,实测结果表明:阵列天线实现了较好的扫描特性,损耗相对较低,满足使用要求．但这种串并联馈电方式与传统的串联馈电方式,哪种方式产生的损耗更小,哪种方式更优,还需要对其进一步研究．同时,频扫面和相扫面在扫描过程中的相互影响也是下一步需要进行分析的内容．

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Analysis on frequency-phase scanning array antenna

WU Yingfeng1,2LIU Hualin3WANG Xin3CHEN Bin3

(1.NanjingUniversityofScienceandTechnology,Nanjing210094,China; 2.TheChinesePeople’sLiberationArmy63961Troops,Beijing100012,China; 3.LingbayiElectronicGroupCo.,Ltd,Chengdu611731,China)

An antenna with frequency-phase scanning array is studied. This array antenna is composed of a fed net with an air stripline structure and a wide-band unit antenna, and it can realize the frequency scanning characteristic in one dimension and the phase scanning characteristic in the other dimension. Through simulation and optimization, the related size is confirmed, and the antenna is manufactured and tested. The test result indicates that: the loss of the fed net with air strip line structure is relative small; the relative bandwidth of this antenna reaches 14.7% (wide-band antenna in the radar field); the scanning angle is bigger than 60°; and in the range of the whole band, the side lobe lever is better than-18.5 dB.

slow wave line; frequency-phase scanning; wide-band antenna; low-loss; low-cost

2016-11-29

10.13443/j.cjors.2016112902

TN82

A

1005-0388(2017)01-0022-06

吴映锋 (1972—),男,江苏人,63961部队高级工程师,硕士,南京理工大学在读博士,主要研究方向为兵器发射理论与技术．

刘华林 (1977—),男,湖南人,高级工程师,博士,主要研究方向为雷达系统、雷达信号处理与自动目标识别．

王欣 (1982—),女,陕西人,高级工程师,博士,主要研究方向为雷达天馈线设计研究．

联系人： 王欣E-mail: wxpanda2701@163.com

吴映锋,刘华林,王欣,等.一种频相扫阵列天线研究[J].电波科学学报,2017,32(1):22-27.

WU Y F,LIU H L,WANG X,et al. Analysis on frequency-phase scanning array antenna[J]. Chinese journal of radio science,2017,32(1):22-27. DOI: 10.13443/j.cjors.2016112902