米波宽带小型化相控阵天线单元研究

魏占宇,王发光,王有义

(辽宁辽无一电子有限公司,辽宁 辽阳 111000)

0 引 言

米波雷达技术体制的发展对米波相控阵天线技术提出了越来越高的要求,相对应的工作频率也越来越宽。在米波频段,组成宽带相控阵天线的传统天线单元的物理尺寸一般较大,难以实现高机动米波雷达天线阵面的快速折叠展开。因此,米波宽带相控阵天线小型化技术是解决高机动米波雷达天线阵面快速折展的重要研究方向。

传统的米波天线单元多采用八木天线单元和伞形微带单元形式,但带宽较窄,天线体积较大,无法实现小型化设计要求。此外,常规的天线单元采用板线平衡器或微带板进行馈电,防水效果通常较差,长时间使用还会降低天线单元性能。

本文采用一种新型全金属结构的Vivaldi天线单元形式[1],通过增大指数曲线的渐变曲率来增大两个指数曲线的张角[2],结构上采用与常规半波阵子相结合的方式以达到降低天线高度的目的,工作频段覆盖了130～270 MHz,倍频带宽达到了1倍以上。

1 米波Vivaldi天线单元设计

Vivaldi天线又称为非周期的指数锥形开槽天线,具有高增益、宽带宽、良好的辐射等特性。典型的Vivaldi天线结构如图1所示,由槽线、开路腔和渐变指数线构成。

图1 Vivaldi天线结构形式

指数曲线可以用下式表示:

y=C1errz+C2

(1)

式中,rr为指数曲线的渐变曲率;C1、C2分别根据指数渐变线的起始位置和终止位置确定,且

(2)

(3)

式中,(y1,z1)、(y2,z2)分别为指数线的起始和终止坐标[3]。

文中的天线单元在常规Vivaldi天线基础上进行了改进,在保证性能基本不变的情况下,实现了单元的低剖面和小型化。天线整体采用的材料为纯金属,同时对馈电部分进行变形,采用同轴线馈电结构。为了减轻风阻和重量,天线的金属部分采用框架结构形式。天线单元的下端设计了一个矩形的谐振腔,其作用相当于常规Vivaldi天线中的圆形谐振腔[4]。天线外形如图2所示。

图2 天线外形图

天线采用同轴形式进行馈电,为了防止天线和电缆接口处漏水,将接插件设计成法兰形式,天线端设计成法兰底座,电缆端设计成法兰插头,法兰底座开一个安装O型密封圈的槽,并安装密封圈。插座和插头通过4个螺丝固定在一起。

2 仿真优化和数据分析

2.1 米波Vivaldi天线单元参数优化

利用仿真软件HFSS分别对单元的渐变曲率、缝隙宽度、谐振腔宽度、单元高度和宽度等进行优化[5]。下面主要通过优化典型的3种参数分析其对驻波指标的影响。

通过初步仿真,rr的最佳调节范围为10～20。保证其他参数不变,改变rr数值,单元电压驻波比随rr变化如图3所示。可以看出随着rr的增大,低频和高频的性能都有所改善;当rr=15时,带宽和驻波性能最好,但当rr超过15时,性能开始恶化,因此rr可以取值为15。

图3 驻波随rr变化图

用dport表示两个指数曲线之间的缝隙宽度,通过初步仿真,dport的最佳调节范围为8～28 mm。保证其他参数不变,改变dport数值,单元电压驻波比随dport数值变化如图4所示。在dport从8 mm增加到28 mm的过程中,驻波性能逐渐变好;但当dport值大于12 mm时,驻波性能开始变差,因此dport可以取值为12 mm。

图4 驻波随间距变化图

用dyport表示矩形谐振腔的横向宽度,保持其他参数不变,改变dyport数值,单元电压驻波比随dyport数值变化如图5所示。可以看出,随着dyport的变化,取230 mm时,驻波性能最佳;当宽度超过270 mm时,低频驻波性能明显变差,所以dyport取值为230 mm。

图5 驻波随谐振腔宽度变化图

不断优化各个参数,最终依据仿真结果确定单元的尺寸,仿真的电压驻波比如图6所示,可以看出单元驻波比小于1.8。

图6 天线单元驻波仿真图

2.2 米波Vivaldi天线单元的扫描性能

由于要求天线在水平面和垂直面都进行扫描,为了防止电扫过程中天线增益下降严重,天线单元波束宽度不能太窄。天线采用垂直极化方式,要求H面扫描±45°,E面扫描±10°,因此天线单元波束宽度至少要大于扫描角度。对天线方向图进行仿真,单元仿真H面和E面方向图见图7,可以看出H面波束宽度为176°,E面波束宽度为74°。

图7 天线单元H面和E面方向图

3 阵列仿真与测试

雷达天线阵是由6行×22列共132个单元组成的矩形栅格矩形边界阵,单元为垂直极化。为防止雷达扫描时出现栅瓣,单元间距应符合条件:

(4)

为了避免天线在接近最大扫描角时产生单元严重失配和出现栅瓣,选择θm比实际扫描角大5°。计算时水平角度取45°+5°=50°,得到水平间距应不大于0.644 m,选取0.625 m作为水平间距。垂直角度取10°+5°=15°,得到垂直间距不大于0.903 m,选取0.9 m作为垂直间距。

3.1 组阵驻波

组阵后由于受附近单元互耦影响,单元驻波会有变化,图8为5×5的阵中中心单元驻波图。

图8 阵中单元驻波比

可以看出,由于受单元互耦影响,低频段带内驻波比出现起伏,但整体驻波符合指标要求。当天线阵扫描时,波束方向发生改变,对每个单元来说受到的互耦影响也会发生变化,因此单元驻波也会相应变化。图9、图10分别是天线阵在水平面和垂直面扫描到最大角度时的中心单元驻波图。

图9 水平面扫描45°单元驻波比

图10 垂直面扫描10°单元驻波比

3.2 天线阵增益

根据天线增益理论计算公式G=η×10×lg(4πS/λ2),其中天线口径S=(22×0.625×6×0.9)m2,发射时天线效率为0.98,接收时按泰勒加权,天线效率为0.86,估算得到的高频段和低频段高、低频点的天线增益值如表1所示。

表1 天线增益(单位：dBi)

3.3 方向图特性

在天线组阵后,发射采用等相位和等功率发射,接收时采用DBF形式。采用HFSS中可重复利用的DDM单元求解有限大阵列的方法对天线阵进行仿真。仿真发射和接收不移相时的方向图如图11所示,仿真接收移相0°、15°、30°、45°时的H面方向图如图12所示,仿真H面移相45°、E面移相10°三维方向图如图13所示。

图11 接收和发射不移相方向图

(c)30°

(d)45°

图13 接收H面移相45°、E面移相10°方向图

表2 发射水平波束宽度(单位:°)

表3 接收水平波束宽度(泰勒30 dB权值,单位:°)

表4 垂直波束宽度(单位:°)

依据仿真和优化结果试制天线阵面,并测试接收水平方向图。测试接收和发射方向图分别如14、15所示,单元组阵后实测结果与理论计算及仿真结果吻合度较高,满足设计要求。实测值与理论值对比结果如表5所示。

(a)低频1

(b)低频2

(a)高频1

(b)高频2

表5 天线阵性能理论与实测对比表

4 结束语

本文设计的米波宽带小型化相控阵天线单元基于常规Vivaldi天线单元。针对传统米波天线单元带宽窄、尺寸大的问题,采用与半波阵子相结合的槽线馈电方式,在保证天线性能的前提下,大幅降低了天线单元的高度;通过优化参数保证天线单元在工作频段内的扫描性能。由此天线单元组成的6×22天线阵列测试结果良好,满足工程化生产、应用要求。