具有幅相检测功能的L波段宽波束相控阵天线单元研究

本文给出了一种L波段天线单元的设计，该天线单元E面和H面的方向图3dB波束宽度都在120°以上，同时在天线单元上设计了一个感应环，通过测试感应环的电流可以检测出单元天线的幅相特性，用于相控阵天线的幅相误差校正。利用HFSS高频设计软件对天线进行了仿真分析并加工出了天线样机，仿真与实测结果相吻合且较符合设计要求。

【关键词】相控阵宽波束幅相检测

1 引言

在当代电子技术领域，相控阵天线所扮演的角色越来越重要，它较传统的机械扫描天线具有更快的扫描速度和更高的指向精度，在侦察、探测、雷达及电子对抗等方面都有较多的应用。宽角扫描的相控阵天线可以在很大的空域范围内实现快速扫描，从而大大提高了电子侦察与探测的效率，是近年来研究的热点。

对于大型的相控阵天线系统，由于受天气以及地理环境变化等影响，阵列各单元的幅相特性较最初的设计值会不断的变化，这些变化使天线的扫描精度以及其它性能指标变差，为了保证天线优良的性能，实时检测各单元的幅相数据信息并进行自动调整已经成为天线设计中必须解决的问题。

本文提出了一种具有幅相检测功能的宽波束天线单元设计方法，在常规印刷振子基础上进行改进，实现了E面和H面两个面的宽波束性能，并且在单元辐射臂上集成一个小的感应环，通过检测小环上的电流来判定天线单元幅度和相位的变化情况，为波控对幅度及相位的调整提供精确数据。

2 天线单元的设计与分析

印刷振子天线由于具有体积小、重量轻、制造成本低、易与后端射频电路进行集成等特点，在相控阵天线阵列中应用较为广泛。本文采用伞形印刷振子作为辐射单元，在振子辐射臂左右两侧各设计一个金属寄生杆，用来调节E面的波束宽度，天线的馈电方式为微带平衡巴伦馈电结构，整个结构示意图如图1所示。

微波信号通过巴伦馈电，从微带线耦合到振子贴片上，再由振子臂辐射到自由空间，因此天线的主要参数指标为振子臂的长度L，宽度W，耦合缝宽D，缝的深度h，伞形倾角θ，馈电末端开路线的长度a，宽度b，以及金属寄生杆的长宽高和它到介质板边缘的距离m等。

在此，利用高频仿真软件HFSS对天线进行仿真分析，并对天线各参数尺寸进行了优化调整，以达到较好的电性能指标，经过一系列的仿真优化，得到一组较理想的参数尺寸：

L=49mm、W=25mm、D=2mm、h=45mm、θ=30°、a=40mm、b=2mm、m=6mm，金属寄生杆的长宽高分别为16mm、10mm、35mm。

图2为天线驻波的仿真与测试曲线，由图可以看出天线在所设计的频带范围内驻波均在1.3以下，匹配情况良好。图3为天线三个频点E面和H面的方向图，天线在两个面上的3dB波束宽度都超过了120°，具有较好的宽波束特性。

3 单元天线的幅相检测设计

为检测单元天线的幅相信息，在天线辐射臂对应位置引入一个小的感应环，辐射臂上的电流源可以在小环上产生感应电流，由于小环本身特性随环境变化影响较小，其幅相特性主要由感应电流决定，因此当辐射臂上电流源有变化，也即是辐射单元幅相特性改变时，可以通过检测小环上的幅相情况来判定。感应环采用同轴线进行馈电，其两端通过失配电阻连接到同轴线的线芯以及接地端。

图4为天线辐射单元馈电口与小环检测口的耦合度，从图中可以看到两者之间为弱耦合，耦合度在-40dB以下，这说明小环对天线单元本身的辐射特性几乎没有影响。图5是两者之间的相位关系，第一个图为初始耦合相位，第二个图是把单元天线的相位改变一定角度后两者的相位关系，可见随着单元相位的改变小环的相位也发生了相同的变化，这也验证了之前的分析。天线的实物样机照片由图6给出。

4 结论与展望

本文给出了一种具有幅相检测功能的宽波束天线单元设计，通过仿真和样机实测结果验证了天线的电性能，该天线在两个面都有超过120°的3dB波束宽度，在单元上集成了一个小的感应环，实际测量了天线单元与小环之间的耦合特性，测试结果表明，感应环上的幅相信息可以很好的反馈出单元天线的幅相变化。这种天线单元可应用于宽角度扫描的大型相控阵天线系统。

参考文献

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作者单位

中国电子科技集团公司第27研究所 河南省郑州市 450047