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本文介绍了一种低剖面的全金属相控阵天线设计 。相控阵天线利用多个天线元件的相位和振幅的灵活控制，具备灵活形成和调整电子波束的能力，适应不同通信和雷达场景的需求。文章通过改进传统的辐射喇叭结构，缩小天线单元尺寸，并进行低剖面设计，将天线高度控制在0.5λH 以内，实现了低剖面宽带的波束扫描。全金属的设计弥补了介质型天线的损耗和辐射效率低的缺点。本文设计了一个8×8的相控阵天线，尺寸为268.25mm×252mm×30mm。仿真结果表明，在3GHz∽4.2GHz频段内（相对带宽为33%），天线的E面和H面束扫描范围大于±45°,增益跌落不超过3dB，有源反射系数优于-10dB。这种相控阵天线具有良好的辐射性能，提供高增益、低剖面、宽扫描范围和抗干扰能力。
1 引 言 相控阵天线（Phased Array Antenna）通过对天 线元件的相位和振幅进行灵活控制，可以实现相控 阵天线的电子扫描、波束形状调整以及快速波束切 换，从而增强了天线的灵活性和提高了天线的性 能 。该技术提供更好的信号质量、更高的信号强度 以及更强的抗干扰能力，在无线通信、雷达系统、 卫星通信等领域发挥着重要作用。 低剖面相控阵天线有着减少空间需求、抗干扰性和多样化的安装位置的优势。通常的低剖面相控阵天线单元会采用介质型天线，介质型天线通过 采用不同介电常数的介质板材可以实现天线单元 的小型化低剖面处理 。电子科技大学的团队设计了一种加载等效腔体结构 L 型探针耦合馈电的双层微带贴片单元，在相对带宽 28.6% 的范围内，E 面和 H 面增益下降 3.5dB 扫描范围为±60° 。但介质 型天线相较于全金属天线的损耗较高，天线的辐射效率较低 。而全金属相控阵可实现低损耗设计,全 金属相控阵通常由磁电偶极子或者 Vivaldi 天线组 成 。 电子科技大学的团队利用 Vivaldi 实现了全金属的宽带相控阵设计 。在有源驻波小于2.8的40% 相对带宽内，可实现 ±60° 的增益下降 3.4dB 二维波束扫描 。但其天线剖面达到了 5.4λH 。 由磁电 偶极子或者 Vivaldi 天线组成的相控阵天线由于剖面太高，无法满足无人机雷达等复杂环境需要低剖 面场景的应用 。构建低剖面的全金属相控阵天线 是目前学术界研究的难点。 本文设计的是一种低剖面的全金属相控阵天 线 。通过对传统的辐射喇叭添加两个金属脊，降低 了天线的截止频率，使得天线单元的尺寸得以缩 小，能够满足相控阵天线的单元的周期要求 。同时 利用四分之一波长阻抗匹配理论使得天线剖面降 低到小于 0.5λH 并且实现宽带匹配 。采用全金属的 设计，能够很好弥补介质型天线损耗高，辐射效率 低的缺点 。本文设计了一款 8×8 的相控阵天线，尺 寸为 268.25mm×252mm×30mm。仿真结果表明：在 3GHz∽4.2GHz频段内（相对带宽为 33%），增益跌落 3dB 范围内，E 面和 H 面波束扫描大于±45° , 有源反射系数优于-10dB。 2 全金属相控阵天线单元设计 根据相控阵理论，天线单元周期 d 与栅瓣可能 出现的位置存在以下关系：  可见要满足天线扫描时栅瓣不出现的条件，天 线单元周期 d要小于 0.5λ 。辐射喇叭槽截止频率受波导尺寸的限制，当尺寸小于 0.5λ 时，波导处于截 止状态，不能够达到相控阵天线不出现栅瓣的设计 要求 。因此应对天线单元进行小型化设计。  图1 天线单元的演变过程（单位：mm） 对此，本文重新设计了基于双脊结构的喇叭辐射槽。如图2所示，在同样大小的尺寸下，基于双脊结构的喇叭辐射槽降低了天线的截止频率。从而实现了天线单元的小型化设计。同时，利用波导的四分之一阻抗匹配原理，使得天线单元剖面降低到0.5λH以内。天线单元方向图如图 3，在 4GHz 下，E面3dB波束宽度为203°，H面3dB波束宽度为92°。 图2 天线单元反射系数  图3 天线单元方向图 3 全金属相控阵天线阵列设计 完成了天线单元设计后，进行相控阵天线的阵列布阵。为了确保相控阵天线在进行大角度扫描时能够保证良好的性能，相控阵天线扫描方向图与阵列因子以及阵元因子的关系和相控阵不出现栅瓣时可扫描的最大角度与天线单元的间距之间的关系可以由以下公式得到：   图4 全金属相控阵整体设计结构（单位：mm） 因此计算出如果需要满足最大角度扫描，则需要天线单元的间距dmax ＜ 0.5λ。当基于该天线单元构建相控阵时，辐射槽可以合并成一条 CTS 槽，将天线布阵后的结构如图4所示。为了解决相控阵天线中天线单元之间的耦合效应带来的扫描性能下降问题，需要对天线的周期进行适当的优化。通过优化天线的周期，可以减小天线单元之间的相互干扰，从而消除耦合效应对扫描性能的负面影响。最终确定阵列E面单元周期为32mm，H面单元周期为 32mm。本文采用 8×8的阵面大小验证该相控阵的扫描性能，通过同轴探针对天线单元进行馈电，该相控阵天线的尺寸为：268.25mm×252mm×30mm。 通过Ansoft HFSS仿真可以看出，所设计的全金属相控阵 E 面和 H 面扫描方向图如图 5 和图 6 所示。E面和H面扫描到±45°时，增益相对于法相峰值增益跌落不超过3dB。天线的辐射性能良好。如图 7 所示，3GHz∽4.2GHz 频段内，天线增益大于18dBi，有源反射系数优于-10dB。  图5 E面归一化方向图  图6 H面归一化方向图  图7 天线有源反射系数与增益曲线 4 结 论 本文设计了一款低剖面的全金属相控阵天线。通过对传统辐射喇叭进行改进，天线单元尺寸得以缩小，并成功满足相控阵天线的周期要求。该相控阵天线采用全金属设计，弥补了介质型天线损耗高、辐射效率低的不足之处。通过仿真结果验证，设计的 8×8 相控阵天线在 3GHz∽4.2GHz 频段内表现出良好的性能。在增益跌落 3dB 范围内，E 面和H 面波束扫描角度大于±45°，且有源反射系数优于-10dB。天线尺寸为 268.25mm×252mm×30mm，增益大于 18dBi。该设计方案具备应用前景，可广泛应用于无线通信、雷达系统和航空航天等领域。该相控阵天线的高灵活性、信号质量、信号强度和抗干扰能力为相关应用提供了重要的改进和突破。 作者：冯文浩， 葛李鹏， 杨奔， 郭兆清 |
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