一种高隔离度低付瓣微带阵列天线

符 友, 高 帆

(1.中电科技扬州宝军电子有限公司, 江苏 扬州 225003； 2.湖北航天技术研究院总体设计所, 武汉 湖北 430037)

雷达往往是利用被侦查目标的反射信号进行目标的探测，其主要测量信息是方向和距离。方向的准确性依赖于雷达波束宽度的大小，波束越窄，其方向精度越高[1]。天线的波束宽度依赖于天线的有效面积，对于车载机载类的雷达是很难利用大口径天线实现窄波束的，但是，可以结合阵列天线“和”、“差”两种方向图不同的特性，采用和差抑制的办法，不依赖大口径天线而精确地判断目标方向。

多阵元天线的“和方向图”的第一付瓣和 “差方向图”的两个主瓣容易在同一个方向上，或者在接近的方向上。“和差方向图”处理目标的方向的基本特点是“和”路发现目标，而“差”路没有发现目标，则判定目标是在天线阵列的主方向上。这就需要抑制“和”方向图的付瓣，避免出现“和”、“差”两路均发现目标，影响目标方向的侦查。

天线在L波段利用微带天线进行实现，L波段是项目规定使用的频段。微带天线阵列虽然可以实现低剖面，但是其窄带的特点限制了它的使用范围。许多天线学者投入了展宽带宽的研究，并取得了很多成果。以降低Q值[2]为代表的方法主要有增加介质厚度、降低介电常数以及微在辐射贴片周边加载寄生贴片和缺陷地结构[3-4]；也有采用耦合馈电增加辐射电感，电抗分量来改善馈线匹配[5]、采用层叠结构来拓展工作频点[6]等。

本文设计的阵列天线工作在L频段，在工作带宽需达到相对带宽14% 的基础上还有低副瓣、低剖面、轻量化的要求，综合考虑决定采用以双层介质板中间间隔空气层结构的微带天线作为阵列天线的阵元，并运用该阵元设计了一种1×8阵元的微带阵列天线。由于该阵元采用电磁耦合的形式扩展天线带宽，在组阵时阵元间的互耦相对一般的天线阵元较强，特别对阵列天线H面的副瓣指标影响较大，在比较了辐射阵元间加载的电磁场带隙 (electromagnetic band gap，EBG)结构[9-10]、使用金属腔体隔离微带阵元[11]等降耦方法后，采用在天线阵元间加载金属隔板的方法以减低天线阵元互耦强度，使天线阵元的幅相特性接近理论设计值，确保天线的副瓣指标得以实现。对天线进行了仿真、优化后进行了实物制作。

1 天线设计

1.1 天线形式

天线采用和差体制天线，垂直极化方式，天线形式的示意图分别如图1和图2所示。天线尺寸为1 000.0 mm×220.0 mm×24.0 mm。为了控制付瓣电平，采用非均匀幅度的馈电方式进行馈电，以控制副瓣电平达到-24 dB的设计要求。

图1 天线示意图

图2 天线前侧面局部示意图

为了达到设计要求的尺寸，每个天线阵元与相邻阵元紧紧贴近在一起，阵元之间互耦严重，会引起阵元的阻抗、方向图等指标恶化。为消去互耦的影响，一般有在辐射阵元间加载EBG结构、使用金属腔体隔离微带阵元等方法。但因天线工作频率在L频段，阵元尺寸较大，加载EBG结构提高了安装结构的复杂度。而使用金属腔体隔离又带来了天线整体重量上升，与天线轻量化的设计初衷相悖。考虑到天线阵元工作极化为垂直极化，采用仅在天线阵元间垂直于水平方向上插入金属隔板来代替金属腔体，以期达到阵元间电磁去耦的效果。

1.2 天线阵元

天线阵元采用双层微带天线“倒置”结构，下层辐射贴片为馈电元，上层辐射贴片为寄生元(如图3所示)。上下两层均采用介电常数εr=2.6，厚度h1=2.0 mm的聚四氟乙烯板材，使用介质柱支撑，中间空气层高度h1=15.0 mm。依据微波传输线理论[12-13]的微带贴片尺寸的计算公式

式中：c为光速；fr为工作频率；εr为介质板介电常数；εe为等效介电常数，Δl为贴片等效延伸长度。计算出下层介质板上的微带贴片尺寸98.9 mm×82.3 mm,对应的工作频点略大于天线工作中心频率f0，上层微带贴片尺寸W2=112.9 mm×92.1 mm,对应的工作频点略小于天线工作中心频率 ，通过下层微带贴片辐射耦合上层的微带贴片，这样通过在工作频段内形成两个谐振频率点，当两个谐振频率点互相靠近时，形成了在工作频带内有两个波谷的驻波比图形，进而将小于2.0的驻波比频带扩展开来。

这种通过空间耦合将天线阵元的驻波带宽展宽的工作方法在遇到附近有其他电磁干扰时，其本身的驻波比和方向图易被干扰导致性能下降，故需增加去耦的金属隔板。将3个相邻阵元进行联合仿真，采用Ansoft HFSS仿真软件进行仿真设计。仿真模型如图3所示，并在仿真中插入金属隔板，在仿真中不断调整变量，最后经调整的金属隔板长、宽尺寸为124.0 mm×18.0 mm。中间阵元的电压驻波比仿真图如图4所示。可以看到整个工作频带内电压驻波比小于1.5。

1.3 馈电网络

馈电网络由和差器和两边对称的一分四不等功分器组成。馈电网络的电流幅度分布采用按-26 dB副瓣电平的talyor级数展开[14]，天线和波束需要天线各个阵元输出同相，差波束需要天线左右输出相位反相。据此得出各阵元的馈电幅度的归一化电平值。

使用了εr=2.6，厚度h3=1 mm的聚四氟乙烯介质板，并根据表1中各个阵元端口的馈电电流幅度的比值设计了一分四不等功分器，同时使用了180 °混合环设计了和差器, 所设计的馈电网络如图1 中所示。

图3 天线阵元仿真模型

图4 天线阵元电压驻波比仿真结果

表1 天线阵列的幅相分布(以第4号阵元归一化值)

2 天线测试

制作加工了天线实物，天线阵元厚度为24.0 mm，装配天线罩及结构件后天线整机高度为40.0 mm，整机的重量为3.8 kg。天线整机的电压驻波比见图5所示，可以看出在整个工作频带内，和、差通道的驻波比小于2，工作带宽达到了相对带宽的16 %以上。在微波暗室对天线进行了测试，中心频率f0处加载金属隔离板后的和波束H面归一化方向图与未加载隔板时的对比如图6所示，上下两个边频出的结果与此相仿。可以看出在天线阵元间加载金属隔板后，天线的H面副瓣电平均小于-24 dB，达到了指标的要求。

图5 和差两路通道电压驻波比测试结果

图6 和路中心频点f0时天线H面方向图

3 结语

通过采用双层微带天线形式和加载金属隔板的方法，在天线提出低剖面，低H面副瓣电平的情况下，最终设计、制作了一款1×8阵元组成的微带阵列天线。该天线在装配天线罩后的高度只有空间工作波长λ0的0.16倍；并在16%的相对带宽内驻波比小于2.0；天线的H面副瓣电平在工作带宽的上、下边频和中间频点处均低于-24 dB，满足了天线结构低剖面和H面副瓣电平的要求。