一种X波段船舶雷达微带天线的设计

刘 冬，高 雪，房少军，李胃胜

(1.海南热带海洋学院，海南 三亚 572022；2.大连海事大学，辽宁 大连 116026)

0 引言

随着海洋经济的发展，中小型渔船也越来越多。为了更好地避让其他渔船和礁石等障碍物，需要装置船用雷达。雷达天线是雷达最重要的部件之一[1]，最早的船用雷达天线大多是抛物面型天线，尺寸大、较笨重，一般适用于军舰。文献[2-3]针对海事卫星中的应用，研究了抛物面型船用天线。随着天线的发展，出现了波导缝隙天线，它较抛物面型天线尺寸小很多，重量也轻，因此，现在船舶雷达系统中广泛地应用了波导缝隙天线[4-6]，但是，相对中小渔船而言，这类天线也比较占地方，价格昂贵。

随着微带技术的发展，微带天线技术也越来越成熟。微带天线尺寸小、重量轻且易于加工，虽然辐射能力弱，但是组成天线阵列后可加强，已逐渐被引入各种雷达系统中。文献[7-11]分别对基于机载雷达天线和车载雷达天线进行研究。但是，关于船载雷达微带天线的研究较少。文献[12]中Fang-Yao Kuo设计的一款船用雷达微带天线，由32个辐射单元构成阵列天线，加金属挡板增加隔离度；文献[13]中夏明世设计一款20单元的圆极化船用雷达天线阵，采用串馈方式组成阵列，在天线两侧加上扇形金属喇叭；文献[14]中郭强采用微扰法的矩形贴片作为辐射单元，并对微扰槽位置等参数利用矩量法进行了优化，从而提高天线的圆极化带宽。在上述文献的基础上，本文设计了一款将20辐射单元交替排在馈电网络两侧的组阵方法，引入了蜿蜒结构的阻抗变换器，无需增加挡板和喇叭，也能获得高增益、窄波束和低旁瓣的结构简单的微带天线。

1 微带贴片单元设计

1.1 微带贴片单元尺寸的设计

矩形微带贴片的长与宽按照式(1)～式(2)初步确定[15]。

(1)

(2)

式中，fr为微带天线工作中心频率；εe为等效介电常数。

1.2 馈电方式设计

为了降低天线的复杂度，采用单馈方法实现圆极化。本文采用角馈方式对微带贴片进行馈电。已知微带贴片的边缘阻抗并不等于50 Ω，根据1/4波长阻抗变换器来进行匹配。阻抗匹配公式为：

(3)

后期微带天线阵列通过辐射天线单元排列在馈电网络两侧获得，为了增加天线阵列的辐射性能，这里1/4波长变换器采用蜿蜒结构；为了减小快点网络的不连续性，在蜿蜒部分针对直角边进行切角处理。选用的介质板材料为国产F4B板材，其介电常数εr=2.2，板材厚度h=1 mm，损耗角正切tanδ=0.000 9。

1.3 微带贴片单元仿真

通过仿真优化后的辐射单元贴片如图1所示，长边为9.94 mm，短边为9.46 mm，直角边切角w2=0.2 mm，ys=1.9 mm，lf=4 mm。

图1 微带贴片单元示意图

仿真结果如图2和图3所示。辐射单元天线的中心频率约为9.4 GHz，在9.20～9.60 GHz频带内，S11≤-12.5 dB，其带宽较好。从图中可以看出，天线的最大增益约为7.7 dB，针对本文所采用的材料来看，这种天线单元的增益相对来说较大，而且水平波瓣宽度也不是很宽。从实验数据来看，本辐射单元贴片性能良好、方向性强，可以用来组建阵列天线。

图2 微带贴片单元S11图

图3 微带贴片单元3D增益仿真截图

2 天线阵列设计

2.1 馈电网络的实现

为了获得最佳方向性图，馈电网络也是根据阻抗匹配原理，由若干1/4波长阻抗变换器组成，通过接阶梯状调节阻抗变换器来进行对各辐射单元贴片的馈电幅度的控制；X波段圆极化船舶雷达微带阵列天线馈电幅度采用切比雪夫分布，电流分布如表1所示。

表1 辐射贴片单元的电流幅度比

I11I60.62I20.97I70.51I30.91I80.39I40.83I90.29I50.73I100.33

2.2 阵列天线仿真

阵列天线组成如图4所示，为了增大天线阵列的辐射能力，辐射单元贴片交错置于馈电网络的两侧，位于馈电网络同侧的微带贴片单元间距为1倍波长，位于馈电网络异侧的微带贴片单元间距为0.5倍波长，保证了同侧辐射单元贴片同向，而异侧的辐射单元贴片经0.5倍波导波长后经180°反向，因此异侧的辐射单元贴片也能同向辐射。每一侧均有4个微带贴片单元，共由20个微带贴片单元组成。

图4 阵列天线示意

通过仿真结果可以看出，该阵列天线匹配良好，方向性强。部分仿真结果如图5所示。在9.30～9.60 GHz频率范围内S11<-10 dB，阻抗带宽达到了360 MHz，中心频率9.4 GHz处S11=-30 dB，说明本天线阵列匹配良好。

微带阵列天线轴比随频率变化曲线如图6所示。当轴比小于3 dB时频率在9.35～9.44 GHz，轴比带宽达到了110 MHz，中心频率处轴比为0.30 dB，表明本天线阵列的圆极化性能良好。

图5 阵列天线的仿真S11

图6 阵列天线的仿真轴比

2.3 实物与测试

这种蜿蜒结构天线的尺寸很小，长度为26 cm，其实物图如图7所示，很适合于转动的雷达天线。

图7 天线实物图

利用矢量网络分析仪测试天线的回波损耗如图8所示，匹配性能良好，回波损耗小于-10 dB的频率范围为9.15～9.50 GHz，带宽约为350 MHz。和仿真回波损耗相比，性能基本吻合，就是中心频率点发生了偏移，中心频率移到了9.3 GHz，这是由于所使用的介质板材的介电常数实际上小于材料标称的2.2。

由于微带贴片较小，尤其是蜿蜒部分尺寸更小，制作时出现了误差导致的，但是整体性能仍符合X波段船用雷达天线指标。

图8 S11测试曲线

在微波暗室里对水平方向图、垂直方向图和轴比随角度变化做了测试，如图9和图10所示。无论水平方向图还是垂直方向图的主瓣中心都在0°，天线的主瓣张角都较小，旁瓣电平均低于40 dB，表明该天线阵列的定向性能良好、辐射能力强。

图9 水平面方向性测试曲线

图10 垂直面方向性测试曲线

频率为9.3 GHz，与x轴正方向的夹角φ=90°时，天线阵列的轴比随角度θ的变化曲线如图11所示。在轴比小于2 dB的范围内，角度θ的变化范围约为-13°～8°，大约为21°，3 dB轴比角大于水平波瓣宽度，说明天线轴比在水平面内满足要求。

图11 轴比测试曲线

3 结束语

论述了一款20单元的圆极化微带天线阵列的设计方法，将20个辐射单元交替置于馈电网络的上下，与贴片边缘相连阻抗变换器采用蜿蜒型结构。从实测数据结果来看，本款天线具有良好的定向性能，圆极化性能良好；从实物来看，此款天线尺寸小而轻。因而表明此种设计方法可行，对高增益的船舶雷达微带天线的研究与应用提供了一定参考价值。本文采取了1/4波长变换器，所组成的阵列天线是单层的，今后将尝试从1/8波长和多层化着手，从而使天线尺寸更小、方向性等性能更优。