基于背腔结构的瓦片式两维有源相控阵天线

杨亚兵 赵交成 廖 原 姜世波 李 宁

(西安电子工程研究所 西安 710100)

0 引言

近年来，有源相控阵天线已经广泛应用于雷达、电子战、通信等无线电系统，其性能的优劣直接关系到这些系统能否正常发挥其效能。随着技术的飞速发展以及系统多功能、平台一体化任务要求，宽带与超宽带相控阵天线需求更为急迫[1-3]。此外，系统集成度大大提高，对微波前端尤其是相控阵天线的体积、重量提出了更高的要求。宽带与超宽带相控阵天线最常用的天线形式是紧耦合阵列。在文献[4]中提出了具有集成巴伦的紧耦合偶极子阵列，该阵列具有两维波束扫描能力，但是天线结构不是平面的且馈电巴伦较复杂。Vivaldi天线是另一种常用的阵列单元[5-6]。通常，这些Vivaldi天线阵列可在较宽的扫描角度下实现大的的阻抗带宽，但其结构并非低剖面。可见，作为相控阵天线的重要部分，阵列单元不仅应满足电气性能要求，而且还应具有良好的机械性能。众所周知，微带天线具有低剖面且易于集成的优点。然而，常规微带天线的带宽较窄，特别是对于两维相控阵天线而言，大的扫描角度限制了天线单元的间距，这增加了带宽扩展的设计难度。有许多方法可以扩展微带天线的带宽[7-12]，其中背腔缝隙天线已被证明是有用的。例如，通过在基于基片集成波导的空腔中激发两种混合模式并将它们合并在所需的频率范围内，所提出天线的阻抗带宽从1.4%提高到6.3%[8]。在文献[9]中提出的具有宽角扫描特性的背腔缝隙天线阵，其阻抗带宽大于12%。

在本文中，提出了一种具有两维波束扫描性能的低剖面宽带平面相控阵，采用了背腔缝隙微带天线作为阵列单元。提出的阵列单元由印刷在底部基板上的开路微带线以及分别印刷在中间基板和顶部基板上的双层贴片组成。背腔和堆叠式多层贴片结构有机组合设计以展宽工作带宽。我们加工并测试了8×8平面相控阵原理样机，测量结果证实该天线阵列可以用作X波段大规模低剖面宽带相控阵的子阵。以下具体介绍和讨论天线单元设计细节和阵列样机测量结果。

1 天线设计与分析

图1为所提出的天线单元结构示意图，最终优化尺寸列于表2中。如图1所示，该天线单元由三层基板和一个矩形金属腔组成，具体来说是由印刷在底部介质基板上的微带开路线以及分别印刷在中间介质基板和顶部介质基板上的双层微带贴片组成。设计选择Taconic TLY-5作为介质材料，从顶部到底部基板的厚度分别为H1、H2和H3。采用微波多层混压技术，使用Taconic FR-27半固化片进行粘合，将三层基板加工成多层PCB。背腔尺寸为WS×LS×HS，位于多层PCB正下方。由同轴探针馈电的短路微带线印刷在底部基板的顶面，用以激励背腔辐射。所提出的天线单元具有堆叠的多层辐射结构，在顶部基板上蚀刻出边长为W1的正方形贴片，在中间基板上蚀刻出边长为W2的另一个正方形贴片。如图1(d)所示，将一对寄生贴片放置在中间层上以改善相邻单元之间的隔离，有利于抑制表面波。而且，为了避免产生不对称的辐射方向图，微带馈线相对于腔结构中心对称布置。同时，引入了一个寄生馈线与微带馈线镜像，两者之间有0.2mm (Df)的间隙。此外，根据设计要求，选择阵列单元间距为14.5mm ×17.0mm，以避免方向图大角度扫描时出现栅瓣。

图1 天线单元结构示意图

表2 天线单元尺寸参数(单位: mm)

为了评估宽带两维波束扫描能力，所提出的天线单元被视为无限阵列单元，通过设置周期性边界条件使用HFSS软件来仿真其性能。图2给出了在工作频率范围内，多个扫描角度的有源VSWR仿真结果。可见，在扫描至所需的最大角度时，有源VSWR在8～12GHz频带内小于2.8。此外，明显可见7.8GHz和12GHz处有两个谐振点。图3给出了阵中单元的仿真辐射方向图。可见，H面、E面方向图均非常对称，并且交叉极化电平小于-40 dB。但是，E面交叉极化略高，尤其是在高频下。这可能与设计引入的微带馈线有关，因为这些交叉极化方向图看起来类似于偶极子的方向图。

图2 天线单元有源VSWR仿真结果

在此，进行参数分析以进一步研究天线单元特性。基于辐射机理，辐射贴片(顶层和中间层)的宽度对谐振频率有直接影响。图4和图5为不同W1、W2参数下有源反射系数仿真结果。首先分析顶层贴片的影响，其中W1在6.5～8.5 mm之间变化。W1影响两个谐振，特别是在低频谐振。随着W1的减小，低频谐振将如预期的那样朝着更高的频带移动。但是，当W1改变时，除非W1等于7.5mm，否则高频谐振变化并不明显。另外，W2对高频谐振有较大影响，较小的宽度导致较高的谐振频率，反之亦然。为了更好的阻抗匹配，经过优化W1和W2分别为7.5mm和4.5 mm。

图4 天线单元有源反射系数仿真结果(随W1变化)

图5 天线单元有源反射系数仿真结果(随W2变化)

2 试验结果与分析

为了验证所提出的设计，加工制造了8 × 8有限规模平面相控阵原理样机，其外形尺寸为116 × 144 × 12 mm3(含T/R模块尺寸)，如图6所示。天线阵列底部有64个同轴馈电端口，每个天线单元直接与有源T/R模块连接。此外，有源VSWR的测量是通过矢量网络分析仪进行的，而辐射方向图和增益是在天线远场进行测试的。

图6 天线阵列样机照片

阵中单元的有源VSWR采用互耦法进行测试。测量中心单元(28号端口)与其他单元之间的S参数(S28，j)，并且通过将这些测量数据以一定的幅度、相位权重相加来计算有源反射系数。因此，通过进一步的简单转换，得到不同扫描角度的阵中单元有源VSWR，如图7所示。从该图可以看出，在所需的两维扫描范围内，本设计可以实现40%以上带宽。实测结果与仿真结果之间的差异是由于仿真是在无限阵列中进行的，两者具有不同的阵列环境。图8给出了测得的中心单元的辐射方向图，此时只有中心单元被激励，而其他所有单元端接50Ω匹配负载。可以看出，阵中单元具有较宽的辐射方向图和较低的交叉极化，这有利于以较低的扫描增益波动实现宽角扫描。

图7 阵中单元有源VSWR实测结果

为了研究天线阵列的扫描性能，图9给出了E面、H面高中低三个频点的扫描方向图，使用-20dB泰勒锥削分布用于阵列单元激励以降低副瓣电平。如图9所见，对于所有扫描方向图均没有栅瓣出现，且副瓣电平低于-16 dB。综合来看，扫描增益降低H面小于4.5 dB、E面小于2.5 dB。根据这些测量结果，显然提出的天线阵列具有优异的两维波束扫描能力。进一步研究分析，图10给出了被测中心单元激励时，天线法向增益与频率的关系。如图10可见，测量结果与仿真结果最大差值在0.5 dB以内。这种差异主要是由介质和导体损耗引起的。此外，设计的类同轴垂直过渡结构也可能导致插入损耗增加。

图10 阵中单元法向增益仿真与实测结果

3 结束语

本文提出了一种具有两维波束扫描能力的低剖面宽带平面相控阵。设计采用了背腔缝隙堆叠多层微带天线作为阵列单元，而阵列单元设计引入终端短路的微带馈线以激励背腔辐射。所提出的天线单元在H面±45°、E面±30°扫描范围内实现了40%工作带宽。为了验证设计，加工并测量了一个8 × 8平面相控阵样机。测量结果表明，该天线阵列可以用作X波段大规模宽带相控阵的子阵。因此，本文为设计低剖面、易集成的宽带瓦片式两维相控阵提供了一个很好的解决方案。