魏德肖，陈 兵，崔雪琪，张 睿

（重庆航天火箭电子技术有限公司 重庆 400039）

引言

随着航天技术的不断发展和航天活动的日益频繁，航天测控也由传统的单波束、单目标测控体制逐步发展为多波束、多目标测控体制[1,2]。而采用抛物面天线的传统单个地面测控站已经无法满足同时多目标测控任务的需求[3,4]，采用相控阵天线加数字波束形成DBF（Digital Beam Forming）的架构可以实现同时多目标的测控[5,6]，该架构的单站不仅可以实现全空域范围内任意分布多达十几个目标的测控，还能够适应未来测控网络化的发展趋势，是一种新型测控架构[2]。而相控阵天线作为该新型测控架构的重要组成部分，其重要性不言而喻。

文献[7]设计并研制了一种基于H 形缝隙耦合馈电的微带双极化相控阵天线，两个正交极化的线天线一致性良好，回波损耗＜-10 dB；文献[8]采用切角方形贴片实现S 波段单圆极化天线设计，天线高度为14.7 mm、回波损耗＜-10 dB、圆极化轴比＜6 dB；文献[9]设计了一种S 频段宽波束圆极化微带天线，通过在天线的辐射贴片上附加寄生贴片和利用金属化过孔实现单边短路，单元增益约为5 dB、电压驻波比＜1.6；文献[10]设计了一种工作于S 频段的多频缝隙微带天线，以基本矩形双频微带天线为基础，采用同轴馈电，在矩形贴片上加载圆形和矩形缝隙，回波损耗＜-22 dB、单元增益约为4 dB。

本文设计的相控阵子阵天线是应用于多目标相控阵这一新型测控架构，其单元天线是采用双馈点探针接触和电磁耦合两种馈电方式的多层微带贴片天线。双馈点探针通过等幅、相差90°极化电桥网络合成左旋、右旋同时双圆极化信号，之后再通过电磁耦合和分立辐射层完成对空间电磁波信号的辐射。相控阵子阵天线由四个完全相同的单元天线构成，子阵天线结构简单，易于实现，其工作频带内的回波损耗＜-16.3 dB，阵元间隔离度均＞15 dB、顶点增益可达8.3 dB、方向图半功率波束宽度＞35°、电压驻波比≤1.43、±60°角域内的轴比≤2.1 dB，具有良好的圆极化特性，仿真和测试结果一致性较高；同时该天线具有低剖面（高度尺寸为0.1λ0，λ0为空气介质波长）、结构简单、易于加工等特点。

1 相控阵单元天线分析与设计

1.1 相控阵单元天线馈电网络特性

相控阵单元天线是采用双馈点探针接触和电磁耦合两种馈电方式的多层微带贴片天线。由于相控阵天线需要同时输出左旋和右旋双圆极化信号，因此相控阵单元天线的馈电网络采用如图1 所示的3 dB 90°电桥设计，通过双馈点正交馈电，最终将两路幅度相等、相差90°的信号合成为双圆极化信号[11-13]，该馈电网络结构简单，成本低廉，且易于加工实现。

图2 为馈电网络的回波损耗曲线，从图中可以看出在2.2 GHz～2.4 GHz 工作频段内S11 和S22＜-19.5 dB、S33 和S44＜-11.8 dB；图3所示为馈电网络的端口隔离和插入损耗曲线图，从图中可以看出在2.2 GHz～2.4 GHz 工作频段内各个端口的隔离度均＞14 dB、插入损耗均＜4 dB；图4 所示为馈电网络S13 和S14的相位曲线图，从图中可以看出在2.2 GHz～2.4 GHz 工作频段内端口相位差在89.4°～90°之间。馈电网络各项参数实测结果略逊色于仿真结果，但实测结果与仿真结果一致性较高。由此可见，该馈电网络性能优良，满足工程预期要求。

1.2 相控阵单元天线特性

相控阵单元天线主要由独立辐射层和多层微带贴片天线两部分构成，采用在独立辐射层与多层微带贴片天线之间插入空气腔以提高天线工作带宽，其三维电磁仿真模型如图5 所示，叠层拓扑如图6 所示。独立辐射层（PCB 板4）选用厚度为0.79 mm、介电常数为2.55、铜厚为0.5 oz的Taconic 单面芯板。多层微带贴片天线由两块单面芯板（PCB 板1 和PCB板2）和一块双面芯板（PCB 板3）通过半固化片混合压制而成，构成馈电网络带状线模型。多层微带贴片天线的两块单面芯板（PCB 板1 和PCB 板2）均选用厚度为0.79 mm、介电常数为2.55、铜厚为0.5 oz的Taconic 单面芯板，双面芯板（PCB 板3）选用厚度为3.18 mm、介电常数为6.15、铜厚为0.5 oz的Taconic 双面芯板。通过在馈电网络和辐射单元周围合理布设金属化接地孔提高组阵后阵元间隔离度；独立辐射层与多层微带贴片天线通过金属螺柱进行紧固，将独立辐射层和多层微带贴片天线固定在天线底面的金属板上；天线底面的金属板对天线起结构支撑作用，同时还兼有反射板的作用，以减小天线的后瓣，增大主瓣增益。

单元天线的多层微带贴片的初始尺寸可由公式（1）[14]进行估算：

式中：l为贴片边长，c为光在真空中的速度，f0为天线的工作频率，rε为介质板的相对介电常数。

对图5所示的相控阵单元天线进行实物加工与暗室测试，相控阵单元天线产品实物如图7 所示，指标特性如图8～图10所示。图8 所示为相控阵单元天线S 参数曲线，从图中可以看出，该单元天线在2.2 GHz～2.4 GHz 频段范围内回波损耗均＜-13.5 dB、端口隔离＞12.8 dB；图9 所示为相控阵单元天线轴比曲线，从图中可以看出该单元天线的轴比＜1.2 dB；图10 所示为相控阵单元天线方向图曲线，从图中可以看出该单元天线在2.2 GHz、2.3 GHz 和2.4 GHz 这三个频点下的增益曲线基本重合，其顶点增益均在5.2 dB 以上，半功率波束宽度＞80°。相控阵单元天线各项参数实测结果虽略逊于仿真结果，但实测结果与仿真结果一致性较高。由此可见，该相控阵单元天线性能优良，满足工程预期要求。

2 相控阵子阵天线分析与设计

2.1 相控阵子阵天线设计

为了扩展相控阵子阵天线的轴比带宽，将4 个完全相同的相控阵单元天线依次顺时针旋转0°、90°、180°和270°组成2×2 阵列，构成相控阵子阵天线，其三维电磁仿真模型如图11 所示。图11（a）所示为相控阵子阵天线正面图，图11（b）所示为相控阵子阵天线背面图，图11（c）所示为相控阵子阵天线斜视图，图11（d）所示为相控阵子阵天线侧视图。该相控阵子阵天线的激励通过背馈探针馈入3 dB 90°极化电桥，经极化电桥输出同时得到左旋、右旋双圆极化信号，然后通过电磁耦合将多层微带贴片天线能量耦合到独立辐射层，再由独立辐射层完成对电磁波的空间辐射。

2.2 相控阵子阵天线特性

对图11 所示的相控阵子阵天线进行实物加工与暗室测试，相控阵子阵天线产品实物如图12 所示，指标特性如图13～图17 所示。图13 所示为相控阵子阵天线八个端口的回波损耗曲线，从图中可以看出在2.2 GHz～2.4 GHz 工作频段内八个端口的回波损耗均＜-16.3 dB；图14 所示为相控阵子阵天线端口隔离度曲线，从图中可以看出在2.2 GHz～2.4 GHz 工作频段内隔离度均＞15 dB；图15 所示为相控阵子阵天线方向图曲线，从图中可以看出在2.2 GHz、2.3 GHz 和2.4 GHz 这三个频点下顶点增益均可达8.3 dB，方向图半功率波束宽度＞35°；图16 所示为相控阵子阵天线八个端口的电压驻波比曲线，从图中可以看出在2.2 GHz～2.4 GHz 工作频段内电压驻波比均＜1.43；图17 所示为相控阵子阵天线轴比曲线，从图中可以看出在2.2 GHz，2.3 GHz 和2.4 GHz 这三个频点下±60°角域内轴比≤2.1 dB。此外，由图14 端口隔离度曲线可以看出，S31、S51 和S71的隔离度明显优于S41、S61 和S81，这是由于S31、S51和S71 属于交叉极化隔离。相控阵子阵天线各项参数实测结果虽略逊色于仿真结果，但实测结果与仿真结果一致性较高。由此可见，该相控阵子阵天线性能优良，满足工程预期要求。

3 结束语

本文设计的相控阵子阵天线是应用于多目标相控阵测控领域，该相控阵子阵天线由四个完全相同的相控阵单元天线依次顺时针旋转0°、90°、180°和270°组成2×2 阵列。每个相控阵单元天线均采用探针接触和电磁耦合两种馈电方式实现宽频带；采用90°极化电桥作为馈电网络实现左、右旋同时双圆极化；通过在馈电网络和辐射单元周围合理布设金属化接地孔提高阵元间隔离度。该相控阵子阵天线在工作频带内的回波损耗＜-16.3 dB、阵元间隔离度均优于15 dB、顶点增益可达8.3 dB、方向图半功率波束宽度＞35°、电压驻波比≤1.43、±60°角域内的轴比≤2.1 dB，仿真和实测结果一致性较高；同时该相控阵子阵天线具有低剖面、结构简单、易于加工等特点，满足预期设计要求。