新型双频复合相控阵天线设计及高效辐射特性分析方法

陈麒天,林嘉宏,齐 松

（上海无线电设备研究所,上海 201109）

0 引言

未来战争形态及作战方式的多样化、智能化对导引头天线设计提出了更高要求。单一工作频段的天线已经无法满足未来战场的需要,设计具备多频段工作能力的天线已成为必然需求。为了在复杂战场环境中尽可能保障作战单元良好的机动性和隐蔽性,就需要实现多频段天线的高效共口径集成,避免天线简单堆叠带来的体积过大、重量过重、雷达截面增加等负面影响。

为了实现频率复合的天线设计,一种最显而易见的方案是直接设计具有多频特性的阵元。该类设计可以获得较好的口径利用效率,但无法实现大频段间隔的频率复合。如果要实现大频段间隔的频率复合,就需要分别设计工作在不同频段的阵元,然后将其融合于同一阵面口径内。根据布局分类,其实现方式主要包括分块布局和交错布局。其中使用最多的分块布局方式是外环-中心区域布局,即口径的外环区域布置尺寸较大的低频阵元,而内部中心区域布置尺寸较小的高频阵元。但分块布局口径利用率低,导致天线性能整体下降。为了尽可能提升口径利用率,基于交错布局的频率复合方式近年来逐渐成为了主流。同时为了降低相控阵天线的通道数以及成本,相关研究提出了基于交错布局的稀布共口径复合阵面设计。

虽然基于上述研究成果的天线基本实现了多频段阵元的共口径复合,但是通过分析可以发现,其在多频段天线协同辐射特性分析方面存在明显缺陷。现有不同频段天线阵列的协同设计仅针对避免结构干涉开展,而天线阵列有源辐射特性的分析与综合仅针对单类型阵列开展。由于缺乏频率复合共口径条件下的有源辐射特性分析与研究,往往使得设计过程无法获得真实有效的阵面辐射特性,从而导致天线设计的准确性和有效性缺乏保障。

针对上述问题,本文采用基于多层微带板压合技术的共口径复合构架,提出一种高效的复合阵面实际辐射特性分析方法,并开展高精度、高效率的复合阵面辐射特性分析、方向图综合以及稀布优化。

1 双频复合阵元设计

1.1 双频复合相控阵天线构架

为了实现双频复合相控阵天线的高口径利用率,同时保证两个频段天线各自较为自由的阵列布局,双频复合相控阵天线采用基于多层微带板压合技术的分层共口径复合构架,其分层结构示意如图1所示。

图1 分层共口径复合构架示意图

该复合构架由4层微带板压合而成,各层微带板之间使用半固化片实现压合。微带板1和微带板2构成双频复合相控阵天线中的高频段天线阵列。微带板1使用缝隙加载的矩形微带贴片天线作为高频段天线阵元,采用同轴馈电。微带板2上表面使用矩形超材料栅格结构作为高频段天线的地板结构。微带板3和微带板4构成双频复合相控阵天线中的低频段阵列。微带板3表面刻蚀辐射缝隙,微带板4上表面为低频段阵元的带状馈线,通过缝隙耦合实现低频段天线阵元辐射。

1.2 高频阵元的设计优化

图2是相控阵天线单个高频阵元的结构示意图,其中ε,h分别表示板材介电常数与板材厚度。

图2 高频阵元剖面图

由于高频阵元馈电结构、辐射结构与低频阵元结构之间实现了较好的隔离,因此可以先针对单个高频阵元开展天线结构的设计优化,再实现多个高频阵元的优化。单个高频阵元参数优化的具体目标如表1所示。

表1 单个高频阵元优化目标

优化后的天线高频阵元性能仿真结果如图3所示,其中f表示中心频点,f表示高频与中心频点差。高频阵元沿E面扫描时,其在扫描角0°,15°,30°,45°,60°的有源驻波比分别低于1.91,1.83,1.69,2.05,3.25;高频阵元沿H面扫描时,其在扫描角0°,15°,30°,45°,60°的有源驻波比分别低于1.91,1.93,2.04,2.65,2.96。除了在沿H面45°扫描时,有源驻波比略高于优化目标以外,其余扫描角下的有源驻波特性与增益均满足表1的设计预期。

图3 高频阵元性能仿真优化结果

1.3 低频阵元设计优化

一个低频阵元可以视作由9个高频阵元集成的子阵,低频阵元等效结构如图4所示。

图4 低频阵元结构示意图

基于高频阵元的优化设计结果,开展低频阵元的优化设计。低频阵元的优化设计要求是扫描范围内天线有源驻波比不高于2.0,且各扫描角度下天线增益不低于4.0 dBi。图5给出了优化后的低频阵元有源特性仿真结果,其中f和f分别为中心频点与频率差。可知,优化后的低频阵元有源驻波比与有源方向图特性均满足设计要求。

图5 低频阵元性能仿真优化结果

2 双频复合阵列设计

基于周期子阵结构的优化设计,开展高密集交错双频共口径复合阵列设计。采用Floquet模式分析方法,进行共口径条件下所有高频阵元有源方向图的高效提取,并实现特定指标要求下高频阵列稀布优化,最后分别完成Floquet模式分析方法以及全波仿真方法下的高频阵列性能验证与分析。

2.1 高频阵列Floquet模式分析及稀布优化

对于参数优化后的高频子阵区域,采用图6所示排列方式构成原始满阵结构。

图6 高频阵列满阵布局

利用单个频率复合子阵区域在无限周期阵列排布下的有源特性,结合Floquet模式分析方法,可以获得满阵结构中每个高频阵元单独激励时的有源方向图。该阵元有源方向图的求解考虑了子阵间互耦与边界截断的影响,且子阵区域内部有源特性的求解考虑了双频天线结构的相互影响。由此得到的完整阵面方向图同时包含了双频共口径复合阵面中阵元互耦、边界截断及辐射遮挡的影响。利用其开展的天线辐射特性分析与阵列稀布优化,可以很好地实现真实情况下天线性能的准确仿真。

在实际的阵列稀布优化过程中,要求阵面布局四象限对称,阵元数不大于250个,且每次样本计算同时考虑阵列发射以及接收模式下法线、30°扫描以及60°扫描的方向图性能。高频阵列稀布优化目标如表2所示。

表2 高频阵列稀布优化目标

最终所得高频阵列稀布优化结果如图7所示,其中天线口径为256 mm。阵元数从原始满阵的538个降低到234个,稀布率达43.5%,且实现了严格的阵面四象限对称。

图7 高频阵列稀布优化布局

2.2 高频阵列方向图性能验证

根据高频稀布阵列的设计结果,利用基于Floquet模式的分析方法,实现了所有阵元有源方向图的提取以及阵列性能的仿真计算,并通过Composite

Excitation模式驱动的全波仿真进行了完整阵面的性能验证。图8和图9分别给出了上述两种仿真方法所得高频稀布阵列在中心频点f的接收和发射方向图仿真结果。可以看出,两种辐射特性分析方法所得到的天线方向图体现出了很好的一致性。图中虚实两条曲线在整体走势上非常接近,虽然其在若干细节方面存在差异,但是对于天线阵列的增益、波束宽度以及副瓣电平等关键指标并未产生明显影响,天线性能满足设计预期。

图8 高频稀布阵列接收方向图仿真结果

图9 高频稀布阵列发射方向图仿真结果

对于所设计的高频稀布阵列,表3给出了3种不同仿真/计算方法所对应的耗时、收敛情况、结果数据特点以及后处理支持等方面的情况。

表3 大规模阵列方向图不同仿真计算方法比较

其中Network Analysis驱动模式是最为常规的天线全波仿真方法,具有最可信的仿真精度且支持完备的数据后处理。然而该方法对计算机内存要求极高,且仿真耗时较长。对于本文设计的分层微带构架,仿真计算在历经约37.0 h后由于超出计算机内存条件而中止,其计算迭代仅实现了7%的收敛精度,不满足仿真计算的精度要求。

对于前文介绍的Composite Excitation驱动模式全波仿真和Floquet模式分析计算方法,其分别历经3.0 h和6.5 h后实现了预定的连续3次2%收敛精度。虽然Composite Excitation驱动模式仿真耗时较少,但是实际上该模式产生的计算结果仅保留了完整阵面某种特定激励端口配置下的场分布,因此并不支持阵面后续可能需要开展的稀布优化、波束赋形等工作。而基于Floquet模式分析的计算方法,虽然在历经6.5 h仿真计算后才实现连续3次2%收敛精度,但是其计算结果保留了所有阵元单独激励下的有源特性。利用这些数据,在后续处理中可以非常便捷地获得任意激励组合/加权模式下的阵列方向图,并进一步支持阵列多波位方向图分析、阵列稀布、波束赋形等工作。

通过上述对比与分析可知,对于构架较为复杂的共口径复合相控阵阵面,考虑现有的硬件条件与现实的工作效率,本文提出的基于Floquet模式的复合阵列实际辐射特性分析与研究的技术路径是最合适的。该技术路径可以在较低的硬件条件、较高的工作效率下实现复杂共口径复合天线阵面较高精度的实际辐射特性分析,其与高精度全波仿真结果之间的偏差处于工程设计可接受的范围内。

2.3 低频阵列方向图性能验证

由于共口径复合阵面中的低频阵列采用规则排布、满阵设计,因此直接针对低频阵列开展高精度全波仿真。低频阵列在中心频点的接收以及发射扫描方向图仿真结果如图10所示。当天线阵列扫描至30°,接收天线和发射天线的副瓣电平分别不高于-25.82 dB和-22.62 dB。可见低频阵列的辐射方向图并未由于上层高频天线结构的遮挡而发生明显的畸变,该结果验证了本文双层共口径复合构架的优异性。

图10 低频阵列方向图仿真结果

3 结束语

本文提出了一种新型共口径复合天线构架,通过分层复合技术实现了双频阵元独立的自由布局。在此基础上采用基于Floquet模式的高效复合阵面实际辐射特性分析方法,同时考虑阵元互耦、边界截断以及辐射遮挡效应影响,实现了完整双频复合阵面高精度辐射特性分析以及阵列优化。利用本文所提的高效辐射特性分析方法仿真该新型双频复合相控阵天线性能,与高精度全波仿真结果相比,增益指标偏差小于0.5 dB,副瓣电平指标偏差小于2.5 dB,仿真耗时降低1/5,天线性能满足设计预期。该研究工作为后续的双频复合相控阵天线研制提供了良好的技术基础和经验积累,可为后续复合导引头技术的发展和应用提供有力支撑。