基于Radnat透镜的Ku波段低成本相控阵天线设计

Design of a Ku-Band Low-Cost Phased Array Antenna Based on Radant Lens

摘要: 本文介绍了一种基于混合型Radant透镜天线体制的低成本相控阵雷达天线。该新型体制的低成本相控阵天线主要包含两部分：一个方位一维相扫天线和一个俯仰Radant透镜天线，通过前后位置级联的方式将两者连起来，构成两维扫描相控阵天线。其中，方位一维相扫天线通过T/R组件中的移相器完成方位面的相控扫描，它所辐射的垂直极化平面波，进入俯仰面Radant透镜型平行板传输线中以后，通过Radant透镜中块移相器的移相，产生俯仰面的天线口径相位梯度，完成俯仰面的天线相控扫描，最终获得两维相控阵扫描性能。仿真结果显示基于Radant透镜天线的低成本相控阵天线可以实现±30˚扫描性能。

Abstract: In this paper, A low-cost phased array (LPA) antenna based on Radant lens antenna is presented. The proposed LPA mainly consists of two parts: an azimuth one-dimensional phase scanning antenna and an elevation Radant lens antenna, which are connected by the cascading way of the front and back positions to form a two-dimensional scanning phased array antenna. Among them, the azimuth one-dimensional phase scanning antenna realizes the beam scanning performance of the azimuth plane by changing the phases of the phase shifter in the T/R module. The vertically polarized plane wave radiated by it enters the Radant lens on the elevation plane, and generates the antenna aperture phase gradient on the elevation surface through the phase shift of the block phase shifter in the Radant lens, finally, completing beam scanning performance on the elevation plane. Simulation results show that the LPA antenna based on Radant lens antenna can achieve ±30˚ scanning performance.

1. 引言

随着雷达技术的发展，相控阵雷达由于其自身性能的优越性，越来越得到广泛的应用[1]。相控阵天线几乎是所有武器平台中高性能雷达所必需的首选天线之一，它是雷达实现大空域、多目标及多功能的关键技术，其灵活多变的波束、近似无惯性的波束跃变，加之现代电子计算机的控制与信号处理，使得相控阵雷达具有其它雷达无可比拟的技术优势。但由于其相控阵天线的“贵族”身份，使得相控阵雷达的普遍应用受到了很大的限制。传统的两维扫描相控阵雷达需要数量较多的移相器及相应的辐射单元，由于这些相移单元自身的成本较高，造成相控阵天线的造价相当昂贵，使得相控阵在战术上的广泛使用受到了极大的限制。为了克服这一难题，国内外众多学者提出了多种低成本相控阵天线系统。文献[2]-[5]设计基于电磁超表面的低成本相控阵，通过加载二极管等有源器件，实现波束扫描。文献[6] [7]设计了基于透镜的低成本天线系统，可在一定角度范围内实现波束扫描。

低成本相控阵天线既保持了传统相控阵雷达的优越性，又能大大降低系统成本，将使相控阵雷达进入普遍使用的新阶段。因此，进行技术上的突破和创新，用特殊的方法降低相控阵天线造价并简化波控方式，具有十分重要的现实意义，其军事应用前景也非常广泛。

本文设计了一款用基于混合Radant透镜的低成本Ku波段低成本相控阵天线，即用一个Radant透镜天线和一个方位一维相扫天线通过前后位置级联的方式，构成两维相控阵天线。采用透镜体制可以将两维扫描相控阵天线的移相器数量由传统的M × N个变为M + N个，移相器数量的大幅降低，在保证了二维扫描相控阵雷达功能优势的基础上，极大地降低了相控阵雷达的成本。

2. 透镜移相单元设计

2.1. 天线单元结构与原理分析

Radant透镜中基本相移单元是透镜设计中的核心。如图1所示，基本相移单元由介质板和印制有相应的平行金属线及跨接的PIN二极管所组成，平行金属线的两边分别与直流电源的正负极相连，控制直流电的通断，即可控制通过基本相移单元的插入相移。其实质是当PIN二极管反偏时，二极管断开，基本相移单元在平行板传输线中的两线之间呈现为一并联电容，当二极管接上正偏时，二极管则导通，对于射频信号而言，则表现为一并联电感。由于两种状态的等效电路不同，电磁波在透过该单元时必然产生差相移，即

${\phi }_{差}={\phi }_{通}-{\phi }_{断}$

当多层基本相移单元均产生差相移时，则总的相移量为：

${\phi }_{总}={\displaystyle \sum }_{i=1}^n{k}_i\left(f,dy\right)\cdot {\phi }_{差i}$

其中，${\phi }_{差i}$ 为基本相移单元独立存在于传输线中的插入相移，$k_i\left(f,dy\right)$ 为各相移单元处于不同工作频率和不同基本相移单元间距环境下的相移系数。移相单元中的二极管可以并通过RLC集总元件来等效建模，在工作频率附近其等效电路如图1(c)所示，二极管导通状态下的等效电路为电阻和电感串联(R = 0.78 Ω, L = 0.1 nH)，二极管截止状态下的等效电路为电容和电感串联(C = 350 fF, L = 0.1 nH)。通过控制PIN二极管的通断状态并优化单元的结构参数，最终获得单元的反射性能，Radant透镜相移单元的主要结构参数如表1所示。

Figure 1. Configurations of the proposed Radant lens phase shift element

图1. Radant透镜相移单元结构示意图

Table 1. Parameter values of the proposed Radant lens phase shift element (unit: mm)

表1. Radant透镜相移单元的主要结构参数取值(单位：mm)

P	W	W1	W2	t
11	8.5	1.6	1.8	0.1

2.2. Radant透镜相移单元仿真结果与分析

通过综合仿真和优化，确定了天线的所有结构参数，提出的Radant透镜相移单元的性能如图2和图3所示。图2给出了Radant透镜相移单元在PIN二极管导通和断开两种状态下的传输幅度随频率的变化曲线。从图中可以看出，两种状态下单元的传输幅度在14.2~16 GHz频带内均在−3 dB以上，满足插损需求。图3给出了Radant透镜相移单元在PIN二极管导通和断开两种状态下的传输相位随频率的变化曲线。从图中可以看出，两种状态下单元的传输相位差在14.2~16 GHz频带内约为22˚，可以作为基本移相单元。

Figure 2. Simulated transmission amplitudes for the Radant lens element with the PIN_on and PIN_off in two cases

图2. Radant透镜相移单元在PIN二极管导通和断开两种状态下的传输幅度曲线

Figure 3. Simulated transmission phases for the Radant lens element with the PIN_on and PIN_off in two cases

图3. Radant透镜相移单元在PIN二极管导通和断开两种状态下的传输相位曲线

2.3. 块移相器设计

Radant透镜中的移相器是由块移相器级联组成的数字移相器。每个块移相器由基本移相器单元通过级联形成。因此，在基本相移单元设计完成后，可将基本相移单元级联。在一定的工作频带内，要求级联网络既能满足相移的精度要求，又能实现最佳的宽带匹配。图4显示了基于基本相移的4位移相器，为了减少基本相移单元的种类，选择了与基本相移单元完全相同的块移相器来获得适当的相移量，而不同的块移相器最终形成一个4位数字移相器。通过将模拟的4位数字移相器的相移转换为阵列单元和块移相器的相移码，可以实现阵列天线的波束扫描。

Figure 4. Schematic diagram of 15-layer phase shifter composed of Radant lens phase shifter unit

图4. Radant透镜相移单元构成的15层移相器原理示意图

2.4. 低成本Ku波段低成本相控阵仿真结果与分析

为验证所设计阵列的性能，首先仿真一款方位扫描天线，其次在方位天线基础上通过级联上述仿真的透镜移相单元实现俯仰扫描性能。第一步设计了一款方位16 × 1的微带相控阵天线。微带阵列天线的结构图如图5所示，单元间距dx = 0.51λ₀，dy = 0.51λ₀，其中λ₀为15 GHz对应的工作波长。图6~8分别为该一维微带相控阵在14 GHz，15 GHz和16 GHz处不同扫描角度的辐射方向图。从图中可以看出，方位天线可以实现30˚扫描性能。

Figure 5. Configuration of the proposed azimuth microstrip phased array antenna

图5. 方位微带相控阵天线结构示意图

Figure 6. Simulated scanning patterns of the proposed azimuth microstrip phased array antenna at 14 GHz

图6. 在14 GHz处方位微带相控阵天线扫描方向图

Figure 7. Simulated scanning patterns of the proposed azimuth microstrip phased array antenna at 15 GHz

图7. 在15 GHz处方位微带相控阵天线扫描方向图

Figure 8. Simulated scanning patterns of the proposed azimuth microstrip phased array antenna at 16 GHz

图8. 在16 GHz处方位微带相控阵天线扫描方向图

第二步在方位天线基础上通过级联上述仿真的透镜移相单元实现俯仰扫描性能。俯仰透镜天线的结构图如图9所示。通过控制不同的块移相器最终形成一个4位数字移相器来，产生俯仰面的天线口径相位梯度，完成俯仰面的天线相控扫描。图10~12分别为俯仰透镜天线在14 GHz，15 GHz和16 GHz处不同扫描角度的辐射方向图。从图中可以看出，俯仰面同样可以实现30˚扫描性能。

Figure 9. Configuration of the proposed elevation lens antenna

图9. 俯仰透镜天线结构示意图

Figure 10. Simulated scanning patterns of the proposed elevation lens antenna at 14 GHz

图10. 在14 GHz处俯仰透镜天线扫描方向图

Figure 11. Simulated scanning patterns of the proposed elevation lens antenna at 15 GHz

图11. 在15GHz处俯仰透镜天线扫描方向图

Figure 12. Simulated scanning patterns of the proposed elevation lens antenna at 16 GHz

图12. 在16 GHz处俯仰透镜天线扫描方向图

3. 结论

本文介绍了一种基于混合型Radant透镜天线体制的低成本相控阵雷达天线。该新型体制的低成本相控阵天线主要包含两部分：一个方位一维相扫天线和一个俯仰Radant透镜天线，通过前后位置级联的方式将两者连起来，构成两维扫描相控阵天线。其中，方位一维相扫天线通过T/R组件中的移相器完成方位面的相控扫描，它所辐射的垂直极化平面波，进入俯仰面Radant透镜型平行板传输线中以后，通过Radant透镜中块移相器的移相，产生俯仰面的天线口径相位梯度，完成俯仰面的天线相控扫描，最终获得两维相控阵扫描性能。该天线设计思路简洁，电性能良好，对解决大型相控阵天线的低成本问题具有一定的研究价值。