一种新型低剖面双极化相控阵天线单元的设计

2023-03-20杨丽娜姬江伟

弹箭与制导学报 2023年1期

杨丽娜，姬江伟

(1 中国空空导弹研究院，河南洛阳 471009;2 河南省交通运输发展集团有限公司洛阳分公司,河南洛阳 471009)

0 引言

相控阵天线是既能高速扫描又能多功能工作的综合天线，它是由许多天线单元组成，并在每个单元上用可变相位或时延控制使波束扫描到空间给定角度上。相控阵的频带宽度、极化特性、扫描范围等也由阵列单元决定，因此天线单元对相控阵的性能起着决定性的作用。极化是除频率、幅度、相位以外，描述电磁波矢量性的又一重要信息。作为探测系统的重要组成部分，双极化天线成为了研究重点之一。

近年来，人们提出了多种双极化天线，如微带振子天线[1]、微带贴片天线[2-3]、Vivaldi天线[4-6]等。微带振子天线一致性好、结构简单、带宽较宽，但是其为直立结构，纵向剖面高，隔离度也不高。双极化微带贴片天线主要有探针馈电微带贴片天线[7]、缝隙耦合贴片天线[8-10]、微带共面馈电贴片天线[11-12]，以及上述3种形式取两种的组合[13]。其中缝隙耦合天线具有低剖面、高隔离度、宽带宽等优点，如H型缝隙耦合贴片单元[14-15]，但与后端T/R连接较为困难；Vivaldi天线作为直立天线的典型结构，天线阵列加工及装配较为复杂。随着相控阵天线高度集成化发展，实现低剖面双极化天线阵面尤为关键。

文中提出一种新型的低剖面双极化相控阵天线单元，开展了单元的关键结构参数仿真分析，得到其变化趋势对天线性能的影响，并完成了天线单元的设计，其有源驻波、阵列扫描方向图及极化隔离度性能良好。为验证此种天线单元的性能和加工工艺，开展1×8天线试验件结构设计、加工及测试，并进行实测数据与仿真设计数据的对比分析。

1 天线单元设计

1.1 天线单元结构

天线单元采用正交的平面微带振子，分别由同轴探针引至下方的不同层带状线进行馈电，保证两个极化的馈电层物理隔离。两个极化的同轴馈电接口通过同轴-带状线过渡，即贯通最下层接地板，分别与下层及上层的馈电带状线相连接。设计的天线结构如图1所示。同轴接口根据实际应用需求(此处采用类同轴端口)进行适应性设计。

图1 天线单元结构示意图

1.2 单元结构参数对性能的影响分析

两个正交的平面微带振子均由探针引至下方不同的带状线层进行馈电，采用带状线巴伦实现平衡至不平衡的转换，并将带状线转换为类同轴实现同轴馈电。天线关键设计参数如图2所示。带状线巴伦两臂的长度差影响天线方向图的波束指向，调整巴伦两臂长度就可以实现天线方向图波束指向天线阵面法向位置。微带振子的馈电巴伦由多级不同宽度的带状线实现阻抗匹配，每级带状线的长度根据结构布局适当选择，其宽度对端口阻抗匹配效果影响明显。决定此种平面微带振子天线单元性能的主要参数有微带振子的长度、微带振子的宽度、各级带状线的宽度(CPS_w、CPS_w2、CPS_w5、CPS_w7、CPS_w8)、探针半径(TZ_r)、类同轴馈电探针半径(Ku_r)、类同轴焊盘半径(KuHp_r)及巴伦的两臂长度差。设计此种平面微带振子单元时，首先需要初选微带振子长度，一般取为0.4λ0(λ0为自由空间波长)；根据工艺可实现性，选择两探针间距约1 mm左右，对称微带振子之间间隙为0.35 mm，并倒圆角实现隔离；在调整优化带状线和类同轴过渡的匹配性能后，对巴伦的两臂进行仿真优化，满足天线波束指向法线方向；优化整个天线单元性能，确定最终天线结构参数。

图2 天线的关键设计参数

此处令两极化天线单元和馈电结构参数保持一致，两极化天线的结构参数对天线性能影响规律相同，现以一个端口为例，分析天线的关键结构参数对其性能影响的规律。

1.2.1 微带振子长度和宽度

平面微带振子的长度(rad_y表示振子长度的一半)和宽度(rad_x)影响天线单元的驻波匹配性能，其中长度变化影响较大。微带振子长度增加时，天线驻波带宽有一定的展宽，特别是频率高端，长度到达一定值时，中端驻波恶化明显。微带振子宽度增加时，频率高端驻波恶化明显，频率低端与中端变化不明显。微带振子长度和宽度对天线性能影响的仿真曲线如图3所示。

图3 微带振子长度和宽度对天线性能影响曲线

1.2.2 探针半径和类同轴馈电探针半径

探针半径和类同轴馈电探针半径对天线的阻抗匹配有明显的影响，需要仿真分析以选取性能较优且工程化可实现的半径。探针半径增大，天线频率低端阻抗匹配改善明显，频带内阻抗匹配可达到最佳效果。类同轴半径增大，阻抗匹配恶化明显，此处选择类同轴半径工程可实现的最小值0.11 mm。两者对天线性能影响的仿真曲线如图4所示。

图4 探针半径和类同轴探针半径对天线性能影响曲线

1.2.3 各级带状线宽度

每级带状线的宽度对天线频带内阻抗匹配均有较明显的影响，特别是CPS_w3影响最大，值越小，驻波越好，其余影响规律基本相同，通过调整，可将频带内的驻波优化至较佳状态。此处选取CPS_w2、CPS_w3两个参数的仿真曲线如图5所示。

图5 各级带状线宽度对天线驻波性能影响的仿真曲线

1.2.4 类同轴焊盘半径对天线性能的影响

类同轴焊盘半径对天线频带内阻抗匹配有较明显的影响，且影响规律与每级匹配带状线影响规律基本相同，通过调整其半径大小可将频带内的驻波比优化至较佳状态。类同轴焊盘半径对天线驻波性能影响的仿真曲线如图6所示。

图6 类同轴焊盘半径对天线性能影响的仿真曲线

1.3 孤立单元的性能

天线微带板均选择Rogers 4350，平面微带振子所在微带板厚度选为3.148 mm，其余4张微带板厚度均选0.254 mm，另外为束缚带状线及同轴馈电的电场，其周围均加入等间距的金属化过孔。按照结构参数对天线性能影响规律，对Ku频段带状线馈微带振子孤立单元开展仿真优化，其端口驻波、隔离度分别如图7所示。奇偶端口方向图分布如图8所示。由仿真结果可知，带状线馈微带振子天线驻波<1.6，带宽有4 GHz左右，其中5 GHz带宽内极化通道隔离度大于26 dB，方向图交叉极化隔离度优于40 dB。

图7 微带振子孤立单元端口驻波和极化隔离度

图8 微带振子天线方向图

1.4 天线有源驻波仿真优化

在仿真软件Ansoft HFSS中，设置周期性边界条件模拟天线阵列环境，对天线的有源驻波进行优化。根据扫描角度范围，选择单元间距，此处选8.6 mm。另外，有源驻波在个别频点跳变幅度较大，为了改善此种影响，在振子所在微波板上开槽，结构模型如图9所示。通过调整开槽的深度和宽度，优化有源驻波性能和极化通道隔离度性能，结果如图10、图11所示。其中奇端口和偶端口分别对应图2中的1端口和2端口。

图9 天线有源驻波改进仿真模型

图10 改进后天线两极化端口有源驻波曲线

图11 改进后天线两极化通道隔离度曲线

1.5 天线阵列扫描特性

采用仿真优化得到的天线单元模型，沿0°和90°φ剖面分别建立8单元线阵，仿真其扫描性能，统计天线阵增益随扫描角度变化情况。天线阵模型及相应频带内典型扫描方向图如图12、图13所示。

图12 天线阵模型

图13 典型阵列扫描方向图

2 天线工程化实现

为了验证天线单元性能，以90°φ剖面1×8线阵(图12所示模型)为例加工试验件。现将此线阵仿真结果分奇偶端口重新列于图14。

图14 天线奇端口和偶端口分别馈电时法向扫描方向图

图15 天线奇端口驻波曲线

图16 天线偶端口驻波曲线

本天线为多层微波板结构，共有5张微波板，牵涉到10面图形加工，加工工序较为复杂。加工工艺主要包括微波板图形刻蚀、微波板烧结、金属化过孔加工、背钻孔工艺、树脂塞孔且铺铜等，其中微波板烧结用的半固化片、背钻孔及其残留金属化孔均需在天线仿真模型中建立其实际模型，充分考虑影响，仿真优化天线结构参数。

2个极化天线的4个同轴探针在5张微波板烧结后，按金属化过孔来加工，多余的部分采用背钻孔工艺消除。其中1个极化馈电同轴探针在下面4张微波板烧结后按金属化过孔来加工，多余的部分同样采用背钻孔工艺消除。

另外，在天线结构模型仿真优化时，还应满足背钻孔到线间距≥6.5 mil，背钻孔钻透层掏铜需比背钻大孔大8 mil；为保证孔与走线的电性能连接，需添加单边比孔大5 mil的焊环。

此天线存在多种类型孔的加工，包括各类通孔、盲孔及屏蔽孔，且需要树脂塞孔，再铺铜。根据各类孔的需求制定微波板压合顺序：4张0.254 mm厚的微波板两两压合后，再将此4张微波板合并压合；最后与1张3.148 mm厚的板子压合，完成多层微波板天线加工。

由于本天线为平面型微带天线，且为类同轴接口，采用毛纽扣与天线连接较为方便，根据天线结构模型仿真优化结果，选择合适的毛纽扣转SMP接插件，既易与天线连接，又方便测试。

多层微波板与测试底板1进行烧结，毛纽扣转SMP接插件与测试底板2烧结。测试底板1与测试底板2通过定位销孔定位，螺钉连接装配。

3 天线实物测试

被测天线的实物照片如图17所示。

图17 被测天线实物照片

3.1 天线S参数测试

天线端口定义如图18，将天线的两个端口分别通过同轴转换连接到S参数测试系统的测试口1和测试口2，

图18 天线端口定义

进行测试结果表明：极化端口隔离度<-28 dB，将S参数测试性能汇总，列于表1。

表1 S参数测试性能汇总

3.2 天线方向图测试

双极化天线方向图测试结果如图19～图20所示。

图19 天线奇端口方向图及交叉极化

图20 天线偶端口方向图及交叉极化

3.3 天线测试数据分析

由S参数测试结果可知，此双极化天线端口驻波虽由于加工误差，相对于仿真结果略微抬高，但在应用垂直互联实现连接的情况下，已属于较好的性能水平。

由天线方向图测试结果可得，天线方向图正常，交叉极化实测值在-20 dB以下，相对仿真值为-40 dB，抬高约20 dB，经分析，除天线加工公差引起的交叉极化恶化外，天线焊接的金属板厚度为0.5 mm，加工时很容易变形，而两个面对接时，螺钉又只能在零件周围紧固，因此两个零件装配后，其中心位置会存在些许缝隙，造成极化端口间的能量泄露，这也是导致交叉极化恶化的一个因素。后续此种结构件设计，将改变毛纽扣结构设计，加厚测试底板1，减小其变形概率，进而优化交叉极化隔离度，使其接近仿真设计水平。