一種低剖面寬帶寬角掃描相控陣天線設計

李貴棟

(中國空空導彈研究院,河南 洛陽 471009)

0 引 言

相控陣雷達因波束掃描快、波束捷變能力強、能實現(xiàn)多目標探測、跟蹤等優(yōu)點,被廣泛應用于跟蹤雷達、預警雷達、火控雷達、通信、廣播、導航、電子對抗、氣象探測等領域[1]。近年來,隨著相控陣雷達系統(tǒng)的高速發(fā)展,對多功能、高分辨率、高數(shù)據(jù)率以及在惡劣電磁環(huán)境下工作等需求[2]越來越迫切,促使相控陣天線寬頻帶和寬角掃描設計成為相控陣天線重要的發(fā)展趨勢。

文獻[3]設計了一種高強度的毫米波金屬Vivaldi天線,其與帶狀線耦合的饋電基板集成,易于工程實現(xiàn),在E面和H面45°掃描情況下可實現(xiàn)27.5～42.2 GHz范圍內駐波小于2;文獻[4]為提高波束掃描寬度,采用在“U”形槽貼片兩側加金屬壁結構,設計制作了E面線陣和H面線陣,分別在3.2～3.8 GHz頻帶內實現(xiàn)75°和90°掃描;文獻[5]設計制作了以Vivaldi天線為陣列單元的X波段寬帶寬角掃描相控陣天線,利用覆蓋介質板和在陣列單元間添加無源陣子展寬波束,增大波束掃描角度,在相對帶寬40%下E面、H面掃描范圍分別達到60°和55°;文獻[6]針對現(xiàn)有圓極化平面陣列的掃描角受限和三維寬角掃描陣列體積大的問題,設計了一種基于陣因子方向圖和單元因子方向圖互補的低剖面寬角掃描圓極化陣列天線,實現(xiàn)在8～9 GHz工作帶寬內,波束掃描角度達到62°;文獻[7]設計制作了以新型磁偶極子為陣列單元的E面線陣和H面線陣,以構建平行于地板的磁流源的方法實現(xiàn)低剖面寬角掃描,波束掃描角度達到76°。

本文針對相控陣雷達天線系統(tǒng),設計了一種以“L”形探針饋電開槽貼片天線為陣列單元的低剖面陣列天線,該陣列天線寬帶寬角掃描性能優(yōu)異,工作帶寬3.16 GHz,在E面、H面波束掃描角度達到±50°。

1 天線單元結構與特性

寬帶寬角掃描相控陣天線設計的關鍵之一是陣列單元的選取?！癓”形探針饋電貼片天線是由Luk K M和Mak C L于1998年提出的[8],其阻抗頻帶寬,剖面低,重量輕,結構簡單,很適合作為相控陣天線的輻射單元。對貼片加載 “H”形槽,形成多頻諧振,進一步增加其阻抗帶寬。天線單元結構如圖1所示,天線單元從上到下依次由金屬貼片、Rogers 5880介質基板、帶方形背腔的金屬接地板和“L”形探針饋電結構組成。Rogers 5880介質基板相對介電常數(shù)εr= 2.2,損耗角正切0.000 9,厚度為0.508 mm,金屬背腔體中的空氣層厚度為2.5 mm,“L”形探針饋電結構由射頻同軸連接器(SMP)內導體和一段長為1.6 mm、寬為1.94 mm的微帶線組成。

圖1 天線單元結構

矩形微帶貼片天線理論尺寸計算如下。

微帶貼片寬度W為:

(1)

式中:c表示光速;f0為天線工作的中心頻率;εr為介質有效介電常數(shù):

(2)

邊緣效應引起的延伸長度ΔL為:

(3)

微帶貼片長度L為:

(4)

采用三維電磁仿真軟件ANSYS HFSS對天線單元仿真優(yōu)化后,其HFSS有源駐波仿真結果如圖2、圖3所示。由圖可知,天線單元在法線方向f0-1.59 GHz～f0+1.57 GHz頻率范圍內有源駐波小于2,在E面波束掃描30°時f0-1.6 GHz～f0+1.6 GHz頻率范圍內有源駐波小于2.3,在E面波束掃描50°時f0-1.6 GHz～f0+1.6 GHz頻率范圍內有源駐波小于2.85,在H面波束掃描30°時f0-1.6 GHz～f0+1.6 GHz頻率范圍內有源駐波小于2.25,在H面波束掃描50°時f0-1.6 GHz～f0+1.6 GHz頻率范圍內有源駐波小于3。天線單元的工作帶寬達3.16 GHz。

圖2 天線單元E面有源駐波

圖3 天線單元H面掃描有源駐波

2 陣列掃描特性

小型陣列天線分析是設計相控陣天線的必要過程,主要分析陣列中心單元有源方向圖和陣列天線波束掃描時的輻射方向圖特性。在常規(guī)應用中,柵瓣限制了相控陣天線的性能,因而要避免。本文以“L”形探針饋電開槽貼片天線為陣列單元,以矩形柵格排布,設計了9×9小型陣列天線,根據(jù)陣列掃描時柵瓣抑制條件,選擇陣列間距為中心頻率對應波長的0.44倍。整個陣列共81個天線單元,9×9陣列天線模型如圖4所示。

圖4 9×9陣列天線模型

采用三維電磁仿真軟件ANSYS HFSS對9×9陣列天線進行仿真分析,陣列中心單元有源方向圖如圖5、圖6所示。由圖可看出,陣列中心單元在f0-1.5 GHz頻點增益為5.47 dB,f0頻點增益為5.94 dB,f0+1.5 GHz頻點增益為6.17 dB。f0-1.5 GHz頻點E面半功率波束寬度為126°,H面半功率波束寬度為101°;f0頻點E面半功率波束寬度為124°,H面半功率波束寬度為100°;f0+1.5 GHz頻點 E面半功率波束寬度為118°,H面半功率波束寬度為107°。

圖5 陣列中心單元有源E面方向圖

圖6 陣列中心單元有源H面方向圖

圖7、圖8是中心頻點f0處陣列天線的波束掃描方向圖,由圖可知法線方向副瓣電平為-13.27 dB,E面波束掃描至30°時副瓣電平為-12.08 dB,E面波束掃描至50°時副瓣電平為-10.91 dB,H面波束掃描至30°時副瓣電平為-11.63 dB,H面波束掃描至50°時副瓣電平為-9.86 dB,陣列天線波束在E面、H面波束掃描至±50°時遠場方向圖均未出現(xiàn)柵瓣,副瓣結構穩(wěn)定,遠副瓣下降趨勢明顯。由于隨著波束掃描角度的逐漸增加,主瓣波束寬度逐漸展寬,因而陣列天線增益從法線方向的23.13 dB下降到波束掃描50°時的21.39 dB,增益下降小于1.8 dB,在實現(xiàn)寬角掃描的同時能保持高增益,寬角掃描性能優(yōu)異。圖9為9×9陣列天線法線方向增益隨頻率變化曲線,由圖可知,f0-1.5 GHz處陣列天線法線方向增益為21.67 dB,f0+1.5 GHz處陣列天線法線方向增益為24.29 dB。隨著工作頻率的提高,陣列天線的增益逐漸變大。

圖7 9×9陣列E面掃描方向圖

圖8 9×9陣列H面掃描方向圖

圖9 9×9陣列法向增益隨頻率變化曲線

3 結束語

本文以“L”形探針饋電開槽貼片天線為陣列單元設計了一種低剖面寬帶寬角掃描相控陣雷達天線。仿真結果表明,該陣列天線具有優(yōu)異的寬帶寬角掃描特性,其工作帶寬達到3.16 GHz,有源駐波特性和輻射特性在E面、H面波束掃描范圍達到±50°,在相控陣雷達天線系統(tǒng)中具有很好的應用前景。