一種低剖面的全金屬相控陣天線設計

相控陣天線（Phased Array Antenna）通過對天  線元件的相位和振幅進行靈活控制，可以實現相控  陣天線的電子掃描、波束形狀調整以及快速波束切  換，從而增強了天線的靈活性和提高了天線的性  能 。該技術提供更好的信號質量、更高的信號強度  以及更強的抗干擾能力，在無線通信、雷達系統、 衛星通信等領域發揮著重要作用。

低剖面相控陣天線有著減少空間需求、抗干擾性和多樣化的安裝位置的優勢。通常的低剖面相控陣天線單元會采用介質型天線，介質型天線通過 采用不同介電常數的介質板材可以實現天線單元 的小型化低剖面處理 。電子科技大學的團隊設計了一種加載等效腔體結構 L 型探針耦合饋電的雙層微帶貼片單元，在相對帶寬 28.6% 的范圍內，E 面和 H 面增益下降 3.5dB 掃描范圍為±60° 。但介質 型天線相較于全金屬天線的損耗較高，天線的輻射效率較低 。而全金屬相控陣可實現低損耗設計,全 金屬相控陣通常由磁電偶極子或者 Vivaldi 天線組 成 。 電子科技大學的團隊利用 Vivaldi 實現了全金屬的寬帶相控陣設計 。在有源駐波小于2.8的40% 相對帶寬內，可實現 ±60° 的增益下降 3.4dB 二維波束掃描 。但其天線剖面達到了 5.4λH 。 由磁電 偶極子或者 Vivaldi 天線組成的相控陣天線由于剖面太高，無法滿足無人機雷達等復雜環境需要低剖 面場景的應用 。構建低剖面的全金屬相控陣天線 是目前學術界研究的難點。

本文設計的是一種低剖面的全金屬相控陣天 線 。通過對傳統的輻射喇叭添加兩個金屬脊，降低 了天線的截止頻率，使得天線單元的尺寸得以縮 小，能夠滿足相控陣天線的單元的周期要求 。同時 利用四分之一波長阻抗匹配理論使得天線剖面降 低到小于 0.5λH 并且實現寬帶匹配 。采用全金屬的 設計，能夠很好彌補介質型天線損耗高，輻射效率 低的缺點 。本文設計了一款 8×8 的相控陣天線，尺 寸為 268.25mm×252mm×30mm。仿真結果表明：在 3GHz∽4.2GHz頻段內（相對帶寬為 33%），增益跌落 3dB 范圍內，E 面和 H 面波束掃描大于±45° , 有源反射系數優于-10dB。

根據相控陣理論，天線單元周期 d 與柵瓣可能 出現的位置存在以下關系：

可見要滿足天線掃描時柵瓣不出現的條件，天 線單元周期 d要小于 0.5λ 。輻射喇叭槽截止頻率受波導尺寸的限制，當尺寸小于 0.5λ 時，波導處于截 止狀態，不能夠達到相控陣天線不出現柵瓣的設計 要求 。因此應對天線單元進行小型化設計。

圖1 天線單元的演變過程（單位：mm）

對此，本文重新設計了基于雙脊結構的喇叭輻射槽。如圖2所示，在同樣大小的尺寸下，基于雙脊結構的喇叭輻射槽降低了天線的截止頻率。從而實現了天線單元的小型化設計。同時，利用波導的四分之一阻抗匹配原理，使得天線單元剖面降低到0.5λH以內。天線單元方向圖如圖 3，在 4GHz 下，E面3dB波束寬度為203°，H面3dB波束寬度為92°。

圖2 天線單元反射系數

圖3 天線單元方向圖

完成了天線單元設計后，進行相控陣天線的陣列布陣。為了確保相控陣天線在進行大角度掃描時能夠保證良好的性能，相控陣天線掃描方向圖與陣列因子以及陣元因子的關系和相控陣不出現柵瓣時可掃描的最大角度與天線單元的間距之間的關系可以由以下公式得到：

圖4 全金屬相控陣整體設計結構（單位：mm）

因此計算出如果需要滿足最大角度掃描，則需要天線單元的間距dmax ＜ 0.5λ。當基于該天線單元構建相控陣時，輻射槽可以合并成一條 CTS 槽，將天線布陣后的結構如圖4所示。為了解決相控陣天線中天線單元之間的耦合效應帶來的掃描性能下降問題，需要對天線的周期進行適當的優化。通過優化天線的周期，可以減小天線單元之間的相互干擾，從而消除耦合效應對掃描性能的負面影響。最終確定陣列E面單元周期為32mm，H面單元周期為 32mm。本文采用 8×8的陣面大小驗證該相控陣的掃描性能，通過同軸探針對天線單元進行饋電，該相控陣天線的尺寸為：268.25mm×252mm×30mm。

通過Ansoft HFSS仿真可以看出，所設計的全金屬相控陣 E 面和 H 面掃描方向圖如圖 5 和圖 6 所示。E面和H面掃描到±45°時，增益相對于法相峰值增益跌落不超過3dB。天線的輻射性能良好。如圖 7 所示，3GHz∽4.2GHz 頻段內，天線增益大于18dBi，有源反射系數優于-10dB。

圖5 E面歸一化方向圖

圖6 H面歸一化方向圖

圖7 天線有源反射系數與增益曲線