一种低剖面宽带宽角扫描相控阵天线设计

李贵栋

(中国空空导弹研究院,河南 洛阳 471009)

0 引 言

相控阵雷达因波束扫描快、波束捷变能力强、能实现多目标探测、跟踪等优点,被广泛应用于跟踪雷达、预警雷达、火控雷达、通信、广播、导航、电子对抗、气象探测等领域[1]。近年来,随着相控阵雷达系统的高速发展,对多功能、高分辨率、高数据率以及在恶劣电磁环境下工作等需求[2]越来越迫切,促使相控阵天线宽频带和宽角扫描设计成为相控阵天线重要的发展趋势。

文献[3]设计了一种高强度的毫米波金属Vivaldi天线,其与带状线耦合的馈电基板集成,易于工程实现,在E面和H面45°扫描情况下可实现27.5～42.2 GHz范围内驻波小于2;文献[4]为提高波束扫描宽度,采用在“U”形槽贴片两侧加金属壁结构,设计制作了E面线阵和H面线阵,分别在3.2～3.8 GHz频带内实现75°和90°扫描;文献[5]设计制作了以Vivaldi天线为阵列单元的X波段宽带宽角扫描相控阵天线,利用覆盖介质板和在阵列单元间添加无源阵子展宽波束,增大波束扫描角度,在相对带宽40%下E面、H面扫描范围分别达到60°和55°;文献[6]针对现有圆极化平面阵列的扫描角受限和三维宽角扫描阵列体积大的问题,设计了一种基于阵因子方向图和单元因子方向图互补的低剖面宽角扫描圆极化阵列天线,实现在8～9 GHz工作带宽内,波束扫描角度达到62°;文献[7]设计制作了以新型磁偶极子为阵列单元的E面线阵和H面线阵,以构建平行于地板的磁流源的方法实现低剖面宽角扫描,波束扫描角度达到76°。

本文针对相控阵雷达天线系统,设计了一种以“L”形探针馈电开槽贴片天线为阵列单元的低剖面阵列天线,该阵列天线宽带宽角扫描性能优异,工作带宽3.16 GHz,在E面、H面波束扫描角度达到±50°。

1 天线单元结构与特性

宽带宽角扫描相控阵天线设计的关键之一是阵列单元的选取。“L”形探针馈电贴片天线是由Luk K M和Mak C L于1998年提出的[8],其阻抗频带宽,剖面低,重量轻,结构简单,很适合作为相控阵天线的辐射单元。对贴片加载 “H”形槽,形成多频谐振,进一步增加其阻抗带宽。天线单元结构如图1所示,天线单元从上到下依次由金属贴片、Rogers 5880介质基板、带方形背腔的金属接地板和“L”形探针馈电结构组成。Rogers 5880介质基板相对介电常数εr= 2.2,损耗角正切0.000 9,厚度为0.508 mm,金属背腔体中的空气层厚度为2.5 mm,“L”形探针馈电结构由射频同轴连接器(SMP)内导体和一段长为1.6 mm、宽为1.94 mm的微带线组成。

图1 天线单元结构

矩形微带贴片天线理论尺寸计算如下。

微带贴片宽度W为:

(1)

式中:c表示光速;f0为天线工作的中心频率;εr为介质有效介电常数:

(2)

边缘效应引起的延伸长度ΔL为:

(3)

微带贴片长度L为:

(4)

采用三维电磁仿真软件ANSYS HFSS对天线单元仿真优化后,其HFSS有源驻波仿真结果如图2、图3所示。由图可知,天线单元在法线方向f0-1.59 GHz～f0+1.57 GHz频率范围内有源驻波小于2,在E面波束扫描30°时f0-1.6 GHz～f0+1.6 GHz频率范围内有源驻波小于2.3,在E面波束扫描50°时f0-1.6 GHz～f0+1.6 GHz频率范围内有源驻波小于2.85,在H面波束扫描30°时f0-1.6 GHz～f0+1.6 GHz频率范围内有源驻波小于2.25,在H面波束扫描50°时f0-1.6 GHz～f0+1.6 GHz频率范围内有源驻波小于3。天线单元的工作带宽达3.16 GHz。

图2 天线单元E面有源驻波

图3 天线单元H面扫描有源驻波

2 阵列扫描特性

小型阵列天线分析是设计相控阵天线的必要过程,主要分析阵列中心单元有源方向图和阵列天线波束扫描时的辐射方向图特性。在常规应用中,栅瓣限制了相控阵天线的性能,因而要避免。本文以“L”形探针馈电开槽贴片天线为阵列单元,以矩形栅格排布,设计了9×9小型阵列天线,根据阵列扫描时栅瓣抑制条件,选择阵列间距为中心频率对应波长的0.44倍。整个阵列共81个天线单元,9×9阵列天线模型如图4所示。

图4 9×9阵列天线模型

采用三维电磁仿真软件ANSYS HFSS对9×9阵列天线进行仿真分析,阵列中心单元有源方向图如图5、图6所示。由图可看出,阵列中心单元在f0-1.5 GHz频点增益为5.47 dB,f0频点增益为5.94 dB,f0+1.5 GHz频点增益为6.17 dB。f0-1.5 GHz频点E面半功率波束宽度为126°,H面半功率波束宽度为101°;f0频点E面半功率波束宽度为124°,H面半功率波束宽度为100°;f0+1.5 GHz频点 E面半功率波束宽度为118°,H面半功率波束宽度为107°。

图5 阵列中心单元有源E面方向图

图6 阵列中心单元有源H面方向图

图7、图8是中心频点f0处阵列天线的波束扫描方向图,由图可知法线方向副瓣电平为-13.27 dB,E面波束扫描至30°时副瓣电平为-12.08 dB,E面波束扫描至50°时副瓣电平为-10.91 dB,H面波束扫描至30°时副瓣电平为-11.63 dB,H面波束扫描至50°时副瓣电平为-9.86 dB,阵列天线波束在E面、H面波束扫描至±50°时远场方向图均未出现栅瓣,副瓣结构稳定,远副瓣下降趋势明显。由于随着波束扫描角度的逐渐增加,主瓣波束宽度逐渐展宽,因而阵列天线增益从法线方向的23.13 dB下降到波束扫描50°时的21.39 dB,增益下降小于1.8 dB,在实现宽角扫描的同时能保持高增益,宽角扫描性能优异。图9为9×9阵列天线法线方向增益随频率变化曲线,由图可知,f0-1.5 GHz处阵列天线法线方向增益为21.67 dB,f0+1.5 GHz处阵列天线法线方向增益为24.29 dB。随着工作频率的提高,阵列天线的增益逐渐变大。

图7 9×9阵列E面扫描方向图

图8 9×9阵列H面扫描方向图

图9 9×9阵列法向增益随频率变化曲线

3 结束语

本文以“L”形探针馈电开槽贴片天线为阵列单元设计了一种低剖面宽带宽角扫描相控阵雷达天线。仿真结果表明,该阵列天线具有优异的宽带宽角扫描特性,其工作带宽达到3.16 GHz,有源驻波特性和辐射特性在E面、H面波束扫描范围达到±50°,在相控阵雷达天线系统中具有很好的应用前景。