一种通用的宽带金属相控阵天线单元研究

张闻涛 袁建涛 张天水

(中国空空导弹研究院 河南 洛阳 471009)

0 引言

相控阵天线以其波束灵活、可实现无惯性扫描、可靠性高等诸多优点近年来逐渐成为研究的热点，在雷达、通信等领域得到了广泛的应用[1]。

相控阵单元的特性对阵列性能具有至关重要的影响，单元间距决定了相控阵天线的扫描范围，单元增益可以有效地提高阵列增益，从而影响系统的探测距离与威力；而单元的匹配及耦合特性则决定了阵列的宽角度空域扫描能力; 此外，具体安装及应用环境决定了单元的结构特性，因此，研制宽频带、小型化、低剖面、易集成低成本特性的天线单元将成为构建通用化宽带相控阵天线的一个很重要的组成部分[2]。

常见的相控阵单元形式多种多样，例如微带贴片天线、Vivaldi天线、振子型天线、准八木天线、矩形波导天线等[3]，其中微带天线以其重量较轻的优势应用最为广泛[4]，但也存在一些问题，如结构脆弱、介质板易断、交叉极化较高，效率较低等缺点，多用在要求不高的场合[5]。本文根据相控阵通用平台研制的要求，设计了一种波束可调的宽带金属相控阵天线单元， 与其它相控阵天线单元相比较，金属阵子天线单元具有较低的交叉极化、较高的效率、较高的强度、可方便加工等优点，并且加工成本较低，一致性较好，可作为宽带通用相控阵天线单元。

1 单元设计

微带形式的振子天线发展较为成熟，已被广泛地使用。由于微带振子的介质板材相对金属较软，在使用的过程中极易发生磕碰，从而损坏单元，其次微带振子的交叉极化较大，限制了其应用范围[6]，因此，本文设计了一种金属对称振子，选择了同轴馈电的方式，这样使得阵子与馈电的同轴结构可实现一体化加工，既增加了强度又实现了很低交叉极化，提高了天线的效率。

天线由50Ω的同轴馈电线、扁平状的双臂对称振子、宽带的板状巴伦、及接地板组成。通常振子的长度为四分之一波长，考虑中间到馈电的间隙以及组成阵列后，相邻振子的结构可能会发生干涉，相控阵单元在大扫描角(±60°)设计时，其尺寸一般约为0.5λ，两端的振子臂长相加应小于半个波长，本文设计的振子臂长为0.24λ。振子臂长与天线的匹配密切相关，振子臂长有利于性能的匹配，但会带来结构的干涉，增大天线间的耦合，采用较短的阵子臂，会增加匹配的难度，本文采用了巴伦与振子一起仿真优化的思路，来满足宽带匹配的要求，同时巴伦也作为支撑振子的一个结构件，后期可方便的加工和焊接。为了抑制振子的双向辐射，通常都在振子的下方增加金属反射板，反射板距离振子的高度为λ/4[7]，反射之后以此达到与辐射波同相叠加的目的，增强天线的方向性，提高天线的增益，单元结构如图1所示。

图1 金属半波振子结构示意图

对于相控阵天线而言，单元的波束宽度基本决定了扫描角的大小，不同的应用场合对扫描角要求不同，当追求大的扫描角时，天线单元尺寸一般会比较小，从而产生所需的较宽的波束，扫描时增益不至于下降太快，但当天线波束较宽时，此时增益相对会比较低[8]，当扫描角比较小时，此时需要较窄的波束和相对较高的增益，为了兼顾不同应用场合下的对波束宽度的不同要求，提出了采用接地板上下移动的方法，改变波束宽度。该单元的优点是在保证单元结构以及馈电结构不变的情况下，通过改变接地板与阵子臂间的高度较为容易地实现了不同场合下对波束宽度的不同需求，而无需重新加工或设计新的单元，接地板可在一个较宽的高度内移动，宽带巴伦馈电结构基本不受接地板高度的影响，对天线的驻波影响很小，在一个较宽的频带内都能满足匹配的要求。

半波振子的沿线电流近似于正弦分布[9]：

I=IMsin[k(l-|z|)]

(1)

其中IM为电流驻波的波腹电流，即电流的最大值，利用叠加原理可计算出半波振子的远区场为：

(2)

2 宽带巴伦设计

同轴馈电结构是一种非平衡的传输线，而对称阵子是一种平衡结构，为了实现不平衡到平衡的转换，本文采用了巴伦结构来完成转换功能。巴伦类型很多,典型的有U型管变换器、λ/4金属扼流套变换器、串联谐振变换器等。但这些巴伦的工作频带都较窄,不能满足宽带特性的要求。而另一类传输线巴伦,虽然带很宽,但在高频应用中,由于材料的限制,难以承受很大的功率。缝隙式巴伦性能优良，结构紧凑，应用较广，槽长为λ/4，负载Zab=4Z0，这种平衡器的带宽为1.1∶1，带宽较窄，为克服这些缺点,本文在缝隙式巴伦的基础上采用了板状巴伦结构,如图2所示，本质是将缝隙进一步加宽加大，其中w为板线之间的宽度，d为同轴线内导体直径，通过调节w和d可明显的增加巴伦的带宽，带宽可达到2∶1[10]，满足实际使用要求，阻抗与尺寸线的关系为：

(3)

图2 板状巴伦结构

3 仿真结果

本文设计的波束可调的宽带金属相控阵天线单元中心频点方向如图3所示，天线增益约为5dB，两个面的交叉极化均小于-30dB，调节地板距离振子的高度h，主平面的波束宽度可在50°至130°范围内变化，能够适应大多数相控阵平台的的使用，增益变化范围约为2～7dB。在两个极限位置处，天线的增益由于不满足同相叠加的要求，天线增益有所降低，图4给出了各个位置的主平面方向图，方向图良好无畸变。

采用基于对称边界求解有源驻波的方法，单元间距选定为0.52λ，经仿真优化后中心频点的有源驻波在0°到60°扫描角内驻波小于2，匹配良好，在全频带上选取有源驻波较大的90°剖面(H面)，仿真结果表明驻波较差的低频有源驻波从0°到60°扫描角内驻波小于2.6，无扫描盲点，大角度驻波满足要求，无源驻波在整个带宽内小于2，具有较好的宽带特性，达到了通用化、宽带化的设计要求。

图3 中心频点f0主平面方向图

图4 中心频点下反射板处在极限位置的主平面方向图

图5 随接地板h增益的变化量曲线

图6 带宽内无源驻波曲线

图7 中心频点f0有源驻波曲线

图8 全频带内90°剖面有源驻波曲线

4 结束语

本文利用宽带板状巴伦结构设计了一种宽带金属的对称振子相控阵单元天线，天线和馈电巴伦一体化加工，加工简单，结构强度较高。调节接地板与振子之间的距离来调整天线的波束宽度和增益，如图5所示，使得该振子天线在不更改结构的情况下拓展了天线的应用范围，节省了设计成本，具有较强的相控阵平台通用性。如图6～图8所示，设计的金属振子天线在15%带宽内有源驻波小于2.6，无源驻波小于2，天线的波束宽度可在50°至130°范围内变化，能够适应大多数相控阵平台的的使用，仿真增益变化范围约为2～7dB，实现了宽带通用化的天线设计要求。