X波段水平极化串馈微带天线设计

2023-03-24蔡振龙苏龙阁韩彦中

舰船电子对抗 2023年1期

蔡振龙，苏龙阁，韩彦中，尹兴

(1.中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北石家庄 050081；2.河北省智能化信息感知与处理重点实验室，河北石家庄 050081；3.陆军装备部驻石家庄地区第一军代室，河北石家庄 050081)

0 引言

连续波雷达通过高增益天线发射电磁波并接收目标回波信号。天线的副瓣电平、极化方式、波束宽度、收发天线隔离度等指标会影响雷达性能，与垂直极化相比，水平极化波在船舶雷达等一些应用场合可以减小杂波影响。

微带天线因为具有低成本、低剖面、较轻的重量和容易设计控制的方向图等优点被广泛应用于雷达和无线通信系统中[1-2]。微带天线常用并馈和串馈2种馈电网络。并馈网络复杂且体积较大，馈线本身的辐射效应会使天线方向图恶化，而且并馈网络传输线更长，馈电网络的插入损耗也就更大。本文为行波阵采用中心馈电串馈网络，串馈网络馈线更短，使得天线的辐射效率更高，行波阵的带宽比驻波阵要宽，中心馈电可以克服行波阵波束指向随频率变化的缺点[3-4]。

1 理论分析及公式推导

天线阵阵元的设计采用谐振式矩形微带阵元。矩形阵元的宽度W、长度L推导如下[1-2]：

(1)

(2)

(3)

(4)

式中：fr为工作频率；c为光速；εr为微带基板的相对介电常数；εe为等效介电常数；h为PCB板材厚度；Δl为微带线的等效伸长量。

由上式计算得出的理论尺寸在实际仿真过程中需要进一步调整。

2 天线单元及馈电网络设计

所设计天线的印刷电路板(PCB)板材采用聚四氟乙烯玻璃布板，介电常数为2.65，厚度为1 mm，相邻天线单元间距为导波波长λg。天线单元仿真模型如图1所示。图2～图4为阵中单元仿真方向图及驻波曲线。

图1 天线单元仿真模型

图2 天线单元E面方向图

图3 天线单元H面方向图

图4 天线单元反射系数

微带天线的馈电网络一般分为并馈和串馈2种形式。并馈网络一般传输线比较长，传输损耗比较大，而且功分网络切角、拐弯等不规则的点比较多。这些不规则点都会产生一定的辐射，影响天线的方向图，使得天线副瓣抬高[5-6]。而串馈网络传输线比较短，不规则点少，传输损耗更小，馈线辐射对天线方向图的影响更小。串馈天线一般分为2种：一种是在分支线上进行变换，以得到需要的电流分布；另一种是在主传输线上进行阻抗变化以得到需要的电流分布[7-8]。第1种串馈网络单元数稍多一点时，阻抗变换线太细，不能保证加工精度；第2种在主传输线上进行变换，加工容易，精度易保证[9-10]。基于以上优点，本天线采用了串馈网络的第2种形式。

3 隔离金属板的设计

该连续波雷达要求天线俯仰面波束宽度为20°左右，传统的设计方法为天线单元在俯仰上组阵，通过俯仰上排布的4个天线单元来实现。如图5所示，通常有(a)、(b)2种组阵方式，水平极化微带贴片俯仰面尺寸比较大，这样的组阵设计通常带来的问题是：俯仰面相邻单元间距过大则会产生栅瓣，间距过小则馈线和贴片互耦很大，使俯仰面副瓣恶化[11-13]。

图5 天线常规俯仰维组阵设计

为了解决上述问题，天线采用俯仰面单贴片方案，在单贴片两侧安装2块金属板，结构类似于一个开口喇叭，可以在不影响方位面副瓣的情况下压窄俯仰面波束宽度，通过调节金属板的间距和高度可以调整方向图波束宽度[14-15]。金属板高度H由下面公式计算：

2θE=80λr/H

(5)

式中：2θE为E面垂直波束宽度；λr为工作波长；H为金属板高度。

由最佳喇叭天线设计条件得2个金属板之间的间距S[16]：

(6)

式中：H为金属板高度；λr为工作波长；S为金属板之间的间距。

图6为加金属板空间电场矢量分布，可以看到极化方向为水平极化，馈线有较强辐射。

图6 加金属板空间电场矢量分布

4 阵列仿真及测试结果分析

天线如图7所示，通过PCB技术加工，为了提高天线增益，在天线两侧安装两块金属板压窄俯仰面波束宽度，同时会显著提高收发天线的隔离度。仿真和测试的天线阵方向图如图8～图10所示，天线电压驻波比如图11所示，其中黑色曲线为仿真结果，灰色曲线为实测结果。图12为天线H面归一化方向图，图13为收发天线隔离度，黑色曲线为不加金属板的隔离度，灰色曲线为增加金属板的隔离度[17-18]。