一种X波段余割平方赋形平面微带阵列天线*

王崇惜，邓淑英

（中国电子科技集团公司第三十九研究所 陕西省天线与控制技术重点实验室，陕西 西安 710065）

0 引 言

在现代雷达应用中，如警戒雷达、搜索雷达、微波着陆系统中大多采用相控阵天线，要求其方位面为道尔夫-切比雪夫或泰勒方向图并可在一定范围扫描，而俯仰面形成如图1所示特殊波束－－余割平方波束。余割平方波束天线，具有低仰角增益大，高仰角增益小的特点。对高度相同、倾斜距离不同的目标进行探测，可以接收等强度的回波信号，实现对远距离目标的尽早发现；因此余割平方波束在警戒雷达、搜索雷达等系统中具有重要的应用价值。

基于某项目需求，本文设计了一种X波段16（余割平方）×4（均匀）单元余割平方波束平面微带阵列天线。辐射单元采用一种非辐射边馈电的宽带双层微带贴片天线[1]，馈电网络采用SSL（悬置微带线，suspended microstripline，SSL）传输线并综合“联合应用DPF公式算法”[2,3,4]（颗粒质量计算方法，Method for calculating particle fashion，DPF），实现微带天线阵在10.2～10.8 GHz俯仰方向余割平方波束，其-3 dB波束宽度为6.5°±10%，-10 dB波束宽度为26.5°±10%。

1 辐射单元

1.1 单元组成及工作基理

如图1所示为理想的余割平方波束。如图2所示为天线单元仿真构架示图，为满足带宽要求采用双层微带贴片天线形式，其主要由馈电单元层、泡沫层、寄生单元层及反射板四部分组成[5]。其中馈电单元层上光刻激励贴片与馈电微带线，寄生单元层上光刻寄生贴片。

参见图2，与常规双层微带贴片天线所不同的是，底层激励贴片通过微带线在其非辐射边馈电，此种馈电方式可简化馈电网络设计，但随之而来的问题是天线除激励起主模TM01模之外还将激励起高次模TM10模，导致天线交叉极化性能恶化。为解决上述问题，除适当控制贴片长宽比外[6]，还在寄生贴片上沿主极化方向，光刻一定数量均匀分布的细长缝隙，通过切断高次模TM10模的表面电流，以满足系统对于天线交叉极化电平要求[7]。

图2 天线单元仿真构架

1.2 单元仿真计算

如图3所示为通过HFSS15进行仿真计算并优化后端口回波损耗曲线及中频典型频点的辐射方向图计算结果。在10.2～10.8 GHz频带范围内，回波损耗优于-12 dB。天线在中频典型频点10.5 GHz时增益约为8.6 dBi，交叉极化电平优于-35 dB。

图3 辐射单元计算结果

2 馈电网络设计

2.1 赋形基理及相关计算

设一个单元数为N、单元间距为d的直线阵列如图4所示，其阵因子为：

式中，In和αn分别为各单元的激励和相位，是需要确定的量。k=2π/λ，λ为工作波长。

图4 直线阵列坐标系

设直线阵列要实现如图1所示理想的余割平方波束，那么首先对给定的方向图函数|F0(θ)|进行取样。设在范围θ=0°～180°内的取样点数为M，取样点的值为|F0(θi)|，i=0，1，2，…，M，取样点设置为

直线阵列阵因子S(θ)要实现图1指定的赋形波束F0(θ)，这实际是一种函数的逼近。在单元数N和单元间距d已知的情况下，只有改变激励幅度In和相位分布αn来达到目的。要使S(θ)逼近F0(θ)，可建立如下的目标函数：

式中，x=(I0,I1,…,IN-1,α0,α1,…,αN-1)。

采用“联合应用DPF公式算法”使得目标函数达到最小，即求In*和αn*，n=0,1,2,…,N-1，使得

采用上述优化方法需要计算如下梯度向量：

式中，

为满足前述某项目要求，对如图1所示目标方向图进行等间隔取样，取样点数为M=1800，单元数为N=16、单元间距为d=17.5 mm。激励幅度In的初值选为切比雪夫分布，激励相位αn的初值选为平方律分布。平方律相位分布初值见如下表达式：

参考式（1）～式（7），经过迭代计算得到的单元激励幅度和相位如图5所示。

图5 电流分布理论计算结果

2.2 馈电网络仿真计算

综合考虑上述计算结果及系统EIRP要求，馈电网络采用如图6所示低损耗悬置微带线（SSL）形式。悬置微带线是通过一薄层介质支撑中心导体，因此它的损耗很小（εe更接近于空气）。

天线馈电网络所用微带板材为Rogers5880，介质厚度0.254 mm，铜层厚度0.035 mm，相对介电常数εr=2.20，损耗角正切 tanδ=0.000 9。

利用HFSS15完成馈电网络设计优化，结果表明，各输出端口间带内相对幅相偏差在±0.3 dB/±5°以内。

3 天线整体仿真计算结果与实测结果

在上述前两节中，已对天线辐射单元和馈电网络分别进行了阐述和相关计算。在此项目中为了在实现天线俯仰方向余割平方赋形的同时满足天线增益指标要求，天线阵面采用如引言所述16X4单元布局。将阵列天线单元和馈电网络集成后进行了整体仿真优化，如图7所示为天线整体仿真模型及部分仿真结果。

图6 馈电网络仿真模型

图7 天线整体仿真计算

图8 天线实物照片

图9 天线实测指标

最终加工完成的X波段余割平方赋形双层平面微带阵列天线实物照片如图8所示。天线阵面厚度(含连接器)为16 mm。在实验室及微波暗室平面近场对该天线的各项性能指标进行了测试，测试结果表明该天线在10.2～10.8 GHz的设计频带内回波损耗小于-10 dB，带内交叉极化电平优于-35 dB，带内增益大于22 dBi。各典型频点实测远场方向图、馈电端口回波损耗如图9所示。如表1所示为天线3 dB、10 dB波束宽度仿真设计值与实测值，满足项目指标要求。

表1 天线波束宽度

4 结 语

本文介绍了一种X波段16×4单元余割平方赋形平面微带阵列天线的设计，辐射单元采用非辐射边馈电双层贴片天线；馈电网络采用低损耗悬置微带线（SSL）形式，并结合低阻传输线与多级阻抗变换等多种技术手段。最终综合“联合应用DPF公式算法”实现了天线在10.2～10.8 GHz工作频带内，总口回波损耗小于-10 dB，带内交叉极化电平优于-35 dB，带内增益大于22 dBi，波束覆盖满足项目指标要求。测试结果表明，仿真计算值与实测值结果一致性较好，可供同类型微带天线借鉴。