1.引言
随着现代攻防对抗的发展，单一模式或频段的制导雷达受到各自的弱点限制不能满足作战的使用要求，复合制导如红外成像与主动雷达、主动雷达与主动雷达和主动雷达与被动雷达等组合模式通过不同的组合取长补短，复合制导开始成为目前重要的制导方式之一。在复合制导受到空间限制约束情况下，主动制导雷达需要给其他探测系统留有一定的空间，特别作为主要部件的天线[1]。根据空间约束条件，本文给出一种在直径为Φ260mm，中间掏空96mm×76mm矩形空间口面下，采用双层矩形微带贴片和3dB耦合器配以90°延长线的和差网络实现单脉冲天线。基于理论分析和仿真设计，对Ku波段单脉冲天线进行了试制。测试结果显示，天线带宽17.1GHz~17.9GHz，增益大于20dB，航向波束宽带5.7°，俯仰8.2°波束宽带，零深-23.3dB。
2.天线单元的设计
微带天线由于其重量轻，体积小，易于组装，剖面低可用于与产品共形等特点常安装在导弹、火箭和卫星等产品上，然而常用的微带天线其频带窄，因其损耗大增益相对较低不会应用单脉冲天线使用。微带天线为了获取高带宽和高增益，可以使用天线辐射单元为微带双层贴片形式的方式提高带宽[2-5]，下贴片作为辐射贴片，上贴片作为寄生贴片，微带贴片单元尺度选择均为长为L=3.85mm，宽为W=3.85mm，两层贴片大小相同分别附着与两层不同的介质板上形成倒置结构，上层介质材料为FR4，下层介质为高频板（介电常数2.55），贴片之间留有h=1mm空气间隔（结构见图1），辐射单元采用边馈方式，与上层寄生单元实现了紧耦合辐射，进而展宽了带宽[2-4]。对该微带贴片单元使用HFSS仿真软件进行仿真[6]，图2为辐射单元的驻波曲线和单元中心频点辐射方向图，可以看出在频率17.1GHz-17.9GHz内，单元驻波比＜1.3，增益在9dB左右，且单元方向图光滑无畸变，因此该微带双层贴片形式组成的辐射单元适于天线组阵。
图2 辐射单元驻波曲线和中心频点两维辐射方向图
3.辐射阵面
3.1阵元排布
辐射单元的下层贴片可直接与微带功分器连接，从而形成辐射阵面。两维单元间距的选取一方面要满足不出现栅瓣的约束条件，另一方面要满阵面排布空间要求，因此阵面设计的第一步即合理选择两维单元间距，图3为阵面单元位置示意图，蓝色代表方位面，红色代表俯仰面，方位面单元间距为16.5mm，俯仰面单元间距为16mm。
3.2幅度优化
在确定了阵元位置后，要优化阵面幅度分布，以满足指标低副瓣的要求[7-9]。图3中可见4个不同直径的圆环，这四个圆环将所有辐射单元划分在5个不同区域，幅度优化时对每个区域赋予一个幅度值，因此共有五个待优化幅度值。
这里使用遗传算法进行优化计算，考虑到阵面功分比不宜过大的原则，将最大与最小幅度比限制在2以内，优化出的方向图两维副瓣约为-13dB。再考察等幅分布时，方向图两维副瓣约为-12dB，综合考虑辐射效率、易实现性等因素，最终幅度分布采取等幅度分布的方式，图4为等幅度分布时阵面中频两维和方向图，其中俯仰面波束宽度3.7°，方位面波束宽度3.6°。
图3单元位置示意图 图4等幅分布方向图
3.3阵面和和差网络设计
天线阵面由前述辐射单元以及微带功分器组成如图6，阵面包含两层介质，上层介质材料为FR4，一方面作为上层贴片的附着层，另一方面可以作为天线罩保护整个阵面；下层介质为高频板，介电常数2.55，上面附着下层贴片以及功分网络。上下两层介质之间有间隔1mm的空隙，形成倒置结构，由结构垫块实现，阵面馈电及结构示意图见图7。单脉冲网络与阵面的四个象限子阵连接，并形成所需的一和、二差信号，常见平面天线的单脉冲网络有波导形式、微带形式、带状线形式等。波导形式单脉冲网络具有损耗低，较宽频带内性能稳定等优势，但是相比微带与带状线形式，其剖面高，重量重，且不易于微带阵面连接。微带形式单脉冲网络剖面低，但一般应用在与阵面同层的设计中，由于阵面排布紧密，且中心掏孔，没有排布微带单脉冲网络的空间，因此采用带状线形式的和差网络，结构如图8所示，和差网络由四个宽带3dB耦合器，再配以90°延长线组成。
图6阵面结构示意图 图7阵面馈电及结构示意图 图8和差网络结构示意图
3.4天线整阵设计
整阵共有四层介质，包含阵面的两层和带状线和差网络的两层，阵面的两层介质之间有间隔1mm的空隙，而和差网络的两层介质与阵面下层介质通过半固化片压合为整体，整阵分层情况见图9所示。天线整阵结构图见图10所示，阵面与和差网络之间通过金属化孔连接。天线在结构[10]，天线下面三层介质板嵌于框架内，并通过螺钉固定，顶层介质板通过框架内部的“凸台”支撑，保证与下层介质板1mm的空气间隔。框架背面留出天线的四个电气接口包含1个和通道、2个差通道和1个匹配负载接口，接口采用SMA的形式，并通过挖槽的方法进行减重设计。
图9整阵分层结构示意图 图10 整阵结构示意图和背面结构
4.测试结果与结论
图11为天线方位面和俯仰面和方向图仿真结果，阵面带内和方向图仿真增益＞22dB，中频17.5GHz和波束两维副瓣分别为11.3dB与12.7dB，加工误差及接口损耗约1dB，实际测量增益＞ 20dB（见图13），实际中频17.5GHz两维副瓣分别为12dB与12.4dB（见图13）。图12为仿真带内两维差波束零深＜-20dB，实际测量带内两维差波束零深 ＜-18dB（见图14）；航向波束宽度5.7°，俯仰波束宽度8.2°；仿真驻波比在工作频段内小于1.65，实际测试驻波比均小于2。
从仿真和测试可以得到：此天线为了满足空间要求使用中间开洞的方式，采用双层微带矩形贴片的Ku波段单脉冲天线，最终实现中心频率为17.5GHz,其双层贴片耦合保证了17.1GHz-17.9GHz高带宽（800MHz），通过合理的空间排布及优化设计，获得了高增益，驻波比小于2，该天线具有易于加工和重量轻的特点，克服中间开洞对波束的影响，实现了带脉冲天线的窄波束（航向波束宽度5.7°，俯仰波束宽度8.2°），能够满足单脉冲天线的使用要求。
图11天线仿真方位和俯仰面和方向图 图12天线仿真方位和俯仰面差方向图
图14天线测量方位和俯仰面不同频点差方向图
参考文献：
[1]高兴东. Ku/Ka共口径阵列天线的双极化高隔离研究[D].西安电子科技大学,2018.
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[3]李峰，官正涛，赵璐. Ka频段单脉冲多层微带阵列天线设计与优化[J]. 电讯技术. ,2012年01期
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[5]都亮，俞云祥，余彦民等.Ku波段微带单脉冲天线阵研究[J]. 探测与控制学报.2008年01期
[6]李明洋，刘敏，杨放.HFSS天线设计[M]，北京：电子工业出版社，2013.
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[9]张文杰. Ku波段宽带双极化低副瓣微带阵列天线的设计[D].北京理工大学,2018
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