一种基于层压技术的Ku波段集成式阵列天线

王元源 李 宁 郑幕昭

(西安电子工程研究所 西安 710100)

0 引言

随着传感器与通讯系统在星载、无人机载、弹载等载荷资源极其有限的平台上大规模的应用，其相对应的天线在保证电气性能的同时，也正朝着阵列化、轻量化、宽带化、低剖面、集成化等方向发展，这些特点将大幅拓展电子系统的应用范围，并明显增强其载体适应性。

本文采用高频层压技术将低剖面的缝隙耦合天线单元[1]与多层折叠式的平面化功分网络集成为一体，实现了工作在Ku频段的集成式阵列天线。该阵列天线具备良好的匹配特性与低副瓣辐射特性；同时，辐射阵面连同加权功分网络的剖面高度控制在3 mm以内；并且其相对于传统的波导缝隙阵列，重量减轻超过60%，成本显著降低。

1 阵列组成

如图1所示，一维天线阵列由10个宽带辐射单元，2套1分5加权功分网络及2个SMP表贴连接器构成。

图1 线阵组成示意图

如图2所示，整个阵列沿垂直阵面方向由5层相对介电常数为3.0的介质基板构成，板材间通过半固化片胶膜在高温高压环境下压接形成整体。

图2 阵列分层结构示意图

各层介质板材及胶膜厚度如表1所示。

表1 板材及胶膜厚度(mm)

hs1hs2hp1.5240.2540.076

天线阵列内部的金属图案位于介质板材两侧的覆铜层中(L1-L6)。

2 天线单元设计

天线单元采用缝隙耦合馈电的多层带线结构形式[1-5]。带状馈线位于L3层，通过位于L2层的地板上的缝隙将能量耦合至顶层L1的微带贴片辐射器。带状馈线的末端与不等功分网络相接。

缝隙的设计采用了特殊的多谐振“哑铃”形结构。与传统的“一”字或“H”形缝隙[2-4]相比，其增加了倾斜缝隙结构，可更为精细地调节能量耦合强度与阻抗变化范围，设计自由度更高。

图3 天线单元结构参数图

以中心频率为基础，考虑层压工艺的加工误差，通过迭代优化后获得天线耦合缝隙及辐射贴片的设计参数如表2、表3所示。

表2 “哑铃”形耦合缝隙尺寸(mm)

WsLsws1ws2ls1ls2ls32.323.160.150.680.490.420.5

表3 天线贴片及馈线尺寸(mm)

WLwfd1d26.624.190.441.580.48

3 多层功分网络设计

如图4所示，多层功分网络由两层带状线网络、垂直互联结构及隔离结构组成，通过高频介质板层压技术与天线辐射阵面融合成为一个整体。其中，第一层网络靠近辐射贴片，起到完成辐射能量耦合与第一级加权功分的作用；第二层网络通过金属化过孔构成的准同轴结构与第一层网络垂直互联，起到第二、三级加权功分与最终输出的作用。各辐射单元对应的馈线间采用双层金属化过孔阵列进行隔离，能够显著提高相邻单元间的隔离度，保证阵列在整个频带内具备良好的辐射性能。

图4 多层功分网络示意图(1/2线阵)

图5、图6给出了一维1分5功分网络的电压驻波比与传输系数的仿真结果。从图5、图6中可知，功分网络在整个工作频带内电压驻波比小于1.4，并且具有稳定的功率分配系数，满足-30 dB的Taylor加权系数要求；且各端口在工作频带内保持同相，最大相位偏差7°。

图5 多层功分网络电压驻波比

图6 多层功分网络功率传输系数

4 一维线阵仿真设计

如图7所示，将天线辐射单元、金属隔离腔体、多层一维功分网络作为整体进行仿真验证，重点考查其输入端口驻波及远场辐射方向图特性。

图7 一维天线阵列模型

集成后天线阵列的驻波曲线如图8所示，从图中可以看出，线阵在全频带内具有良好的驻波特性。

图8 一维线阵电压驻波比

图9给出了线阵在高中低频点的仿真辐射方向图，其中心频点的方位维辐射方向图最大旁瓣电平约为-29 dB，波束宽度9.67°。全频带内的一维辐射方向图副瓣电平均低于-25 dB，满足设计要求。

图9 线阵辐射方向图

5 测试结果分析

根据仿真模型参数，结合高频层压技术进行了集成式线阵的加工，最终获得的线阵实物如图10所示。

图10 集成式线阵实物图

在实验室内完成了实物线阵的端口驻波测试，测试结果如图11所示。同时，通过近场扫描结合近远场变换的方式获得了实物线阵高、中、低频点的辐射方向图特性(如图12所示)。

图11 集成式线阵电压驻波比测试结果

由测试结果可知，在整个工作频带内，阵列输入端口的电压驻波比小于2.2，能够满足使用要求。与仿真结果略有差别的是，高频段的驻波有比较明显的抬升，考虑到测试接口的误差后，仍有进一步优化提升的空间。

同时，测试结果表明，频带内辐射方向图的副瓣电平均低于-28 dB,达到了预期的设计指标；天线主瓣波束宽度与仿真结果相比略有展宽，达到约10.4°(16 GHz)，处于可接受的误差范围内，这主要是由于功分网络的损耗及传输线宽度/长度的加工误差导致的。

图12 集成式线阵测试方向图

6 结束语

本文基于高频层压技术设计了工作在Ku频段的集成式低剖面天线阵列。创造性地采用了5层高频介质板构成多层结构，实现了天线辐射阵列与泰勒加权功分网络的一体化集成。仿真与测试结果表明，天线阵列能够覆盖15 GHz～17 GHz的频段范围，且具有良好的辐射效率与低副瓣特性。阵列整体尺寸仅为125 mm×9.5 mm×2.9 mm，具备低剖面特性与扩展应用潜力。

该天线阵列的集成式设计思路不但省去了天线单元与网络间存在的电气接口，降低了传输损耗，更使无源阵列的剖面、重量、体积均大幅缩减；多层压接的陶瓷玻璃布介质结构, 增加了机械强度, 降低了外界环境对天线的影响,使其可靠性明显提高；高频层压工艺的制造成本约为低温共烧陶瓷(LTCC)等高频3D封装工艺的1/5，在Ku及较低频段具备竞争优势，能够支撑未来大批量的应用需求。