一种宽带微带单脉冲阵列天线设计

李贵栋

(中国空空导弹研究院,河南 洛阳 471009)

0 引 言

单脉冲雷达天线能产生和波束与2个差波束,和波束可以探测目标的距离和进行距离跟踪,差波束可以探测目标的方位角和俯仰角信息并进行角跟踪[1]。单脉冲雷达比较和差波束收到的信号即可获得目标位置信息[2],具有跟踪速度快、精度高、作用距离远的优势。因此单脉冲雷达在精密跟踪和精确制导领域具有广泛的应用[3]。

单脉冲天线多采用波导缝隙阵天线或微带阵列天线形式,单脉冲波导缝隙阵天线物理尺寸较大,设计较为复杂,加工精度要求高,难以与其他元件集成,较大限制了实际应用[4-5]。微带阵列天线由于成本低、剖面低、质量轻、增益高、易集成、适合大批量生产等优点在单脉冲天线中广泛应用。典型的微带天线阻抗带宽很窄,约0.7%～7%,拓展微带天线阻抗带宽的主要方法一般有降低等效谐振电路的Q值,附加寄生贴片或加载U型缝隙增加等效电路谐振频点,采用电磁耦合馈电方式,选用对数周期阵或者行波阵等[2]。

本文采用带状线口径耦合馈电和附加寄生贴片方式共同拓展微带天线阻抗带宽,微带天线单元通过4个一分四带状线T型结不等功分网络连接组成微带阵列天线。采用微带三分支定向耦合器结构设计二维和差网络,与4×4微带阵列天线级联后组成微带单脉冲阵列天线。本文设计的微带单脉冲阵列天线工作带宽1.2 GHz,和差端口电压驻波比小于2,最大增益18.4 dB,副瓣电平≤-17 dB,差零深≤-23 dB。

1 微带天线单元设计

1.1 理论设计

微带天线单元结构为口径耦合馈电双层贴片结构,其中上层为寄生贴片,下层为驱动贴片,微带天线单元结构如图1所示。微带天线单元通过开在地板上的公共口径来形成馈线与贴片间的电磁耦合,馈电层与辐射层被地板完全隔开,避免了馈电网络的辐射干扰,口径耦合馈电一般采用中心馈电,因为在中心馈电情况下,贴片的激励是对称的,可以减少高次模的激励,形成非常好的极化纯度[6]。微带天线单元利用开在地板上的口径和上下层贴片实现多调谐来拓展天线带宽。为抑制后向辐射,采用带状线口径耦合馈电代替微带线口径耦合馈电,但口径的后向辐射能量被束缚在2层金属之间,容易引起高次模,恶化天线性能,因此需要在口径层金属接地板和下层金属接地板之间加载金属化过孔,用于减小高次模的影响[7]。

图1 微带天线单元结构示意图

根据传输线模型对矩形微带天线进行理论分析,由施耐德得出的经验公式,介质有效介电常数εe为:

(1)

式中:εr为介质基板的介电常数;h为介质基板的厚度;W为微带天线贴片的宽度。

微带天线单元贴片谐振长度L可以用以下公式计算:

(2)

式中:c表示光速;f0为微带天线工作的中心频率;εe为介质有效介电常数;ΔL为边缘效应引起的延伸长度,可用哈默斯塔德给出的经验公式计算:

(3)

为了有效辐射,贴片的最佳宽度为:

(4)

1.2 微带天线单元模型

微带天线单元包括上层寄生贴片、下层驱动贴片、刻有 H形耦合口径的上层金属接地板、带状线馈线、下层金属接地板和相应的介质基板,其中2层金属接地板之间的加载有金属化过孔。微带天线单元模型如图2所示。微带天线单元共有4层介质基板,从上到下,第1层、第2层分别采用厚度1.575 mm和3.175 mm介电常数2.2的RP220基板,第3层、第4层均采用厚度0.508 mm、介电常数2.94的RA300基板。4层介质基板通过半固化片粘接后压合成多层板。

图2 微带天线单元模型图

1.3 微带天线单元仿真结果

采用ANSYS HFSS对微带天线单元进行仿真分析,HFSS对微带天线单元电压驻波比(VSWR)的仿真结果如图3所示。由VSWR曲线可以看出,f0-0.6 GHz～f0+0.52 GHz频带范围内电压驻波比小于2,阻抗带宽1.12 GHz。图4为中心频点f0处的微带天线单元方向图。可知,微带天线单元增益6.98 dB,φ=0°时面半功率波束宽度为105.2°,φ=90°时面半功率波束宽度为73.4°。

图3 微带天线单元VSWR仿真结果

图4 微带天线单元中心频点方向图仿真结果

2 和差网络设计

2.1 分支定向耦合器设计

分支定向耦合器由主线、副线及耦合分支线组成[8],耦合分支线长度为1/4波长,两分支定向耦合器的带宽一般限制在10%～20%,可通过多节级联增加分支线的枝节数增加带宽。本文采用三分支定向耦合器,模型如图5所示。

图5 三分支定向耦合器模型图

2.2 二维和差网络设计

将4个三分支定向耦合器与90°相位延迟线连接组成二维和差网络,模型如图6所示。二维和差网络分布在四象限的4个输入端口,由微带线转同轴端口,以便与微带阵列天线连接,对角差端口采用50 Ω贴片电阻匹配吸收,和、方位差与俯仰差三端口可与表贴超小型推入式(SMP)连接器焊接。

图6 二维和差网络模型图

3 微带单脉冲阵列天线设计及测试

为了实现高增益,设计成4×4的微带阵列天线,因为要与和差网络对接形成和差波束,所以需要分区成4块2×2阵列。2×2阵列采用带状线一分四T型结功分网络馈电,为了减小副瓣,采用不等功分网络,理论功分比为1∶0.44∶0.44∶0.2。一分四T型结不等功分网络结构如图7所示。将4块2×2阵列在HFSS中建模,模型如图8所示。

图7 一分四T型结不等功分网络示意图

图8 4×4微带阵列天线模型图

4块2×2阵列与二维和差网络通过绝缘子连接组成微带单脉冲阵列天线,并在HFSS中进行仿真,微带单脉冲阵列天线电压驻波比(VSWR)仿真结果如图9所示。由图9可知,和端口(sum)电压驻波比在f0-0.46 GHz～f0+0.75 GHz频带范围内小于2,俯仰差端口(d1)电压驻波比在f0-0.43 GHz～f0+0.61 GHz频带范围内小于2,方位差端口(d2)电压驻波比在f0-0.52 GHz～f0+0.75 GHz频带范围内小于2。

图9 微带单脉冲阵列天线VSWR仿真结果

HFSS仿真的微带单脉冲阵列天线和差方向图如图10～图15所示。由图可知,f0-0.75 GHz频点和口增益16.7 dB,副瓣电平-17 dB,俯仰差零深-23 dB,方位差零深-36.2 dB;f0频点和口增益17.4 dB,副瓣电平-21 dB,俯仰差零深-43.2 dB,方位差零深-43.3 dB;f0+0.75 GHz频点和口增益 18.4 dB,副瓣电平-19.4 dB,俯仰差零深-29.2 dB,方位差零深-47.6 dB。

图10 f0-0.75 GHz频点俯仰面和差方向图

图11 f0-0.75 GHz频点方位面和差方向图

图12 f0频点俯仰面和差方向图

图13 f0频点方位面和差方向图

图14 f0+0.75 GHz频点俯仰面和差方向图

图15 f0+0.75 GHz频点方位面和差方向图

经过加工后得到的微带单脉冲阵列天线的实物如图16所示,输出采用3个表贴SMP接头,矢量网络分析仪对微带单脉冲阵列天线三端口电压驻波比(VSWR)进行测试,测试结果如图17所示。由图可知,和端口(sum)电压驻波比在f0-0.48 GHz～f0+0.75 GHz频带范围内小于2,俯仰差端口(d1)电压驻波比在f0-0.45 GHz～f0+0.75 GHz频带范围内小于2,方位差端口(d2)电压驻波比在f0-0.65 GHz～f0+0.75 GHz频带范围内小于2。综上所述,三端口电压驻波比在f0-0.45 GHz～f0+0.75 GHz频带范围内均小于2,工作带宽1.2 GHz。

图16 微带单脉冲阵列天线实物图

图17 微带单脉冲阵列天线VSWR测试结果

4 结束语

本文采用带状线口径耦合馈电和附加寄生贴片方式共同拓展微带天线阻抗带宽,采用微带三分支定向耦合器结构设计和差网络,实现C波段4×4宽带微带阵列天线的二维波束和差,本文设计的C波段宽带微带单脉冲阵列天线工作带宽1.2 GHz,最大增益18.4 dB,副瓣电平≤-17 dB,差零深≤-23 dB,性能良好。