双频宽带毫米波天线的设计及实际应用
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摘 要：毫米波相控阵天线正处于研究起步阶段，因其优势明显，在军事民用中有着巨大的开发前景。论文对毫米波相控阵天线采用的几项关键技术的进行阐述和分析，包括多波束形成技术、毫米波T/R组件、提高带宽以及空间功率合成技术等对关键技术。文章对上述关键技术的研究现状进行了介绍，指出了毫米波相控阵天线关键技术的发展趋势。
关键词：毫米波相控阵天线；多波束形成；毫米波T/R组件；空间功率合成
引言
毫米波天线起步于上个世纪冷战时期，两个军事强国针对当时新研制的毫米波制导导弹，相继推出了毫米波导弹侦查和探测系统，例如毫米波天线雷达。目前，毫米波制导技术经过几十年的发展已经比较成熟，但是毫米波天线技术却由于工作频段比较高，核心器件都是毫米波级别器件，使其在生产、集成、工艺以及成本存在很大的难题，同时，毫米波天线要求天线波束比较窄，扫描宽度比较宽，旁瓣低，功率也比较大，造成毫米波天线的技术和性能很难达到理想的状态。近些年，随着毫米波集成电路和超高速集成电路以及电子技术的快速发展，毫米波天线技术指标得到了很大的提高。毫米波相控阵天线就是其中的佼佼者，相控阵天线通过组合阵列的数目和排列不同来提高性能。毫米波相控阵天线的探测距离较远，且能够对空间多个目标同时跟踪和识别和快速搜索能力，具有高分辨率和精确轨迹，工作带宽以及扫描角度都比较宽等优。本文结合毫米波相控阵天线的技术从和实现难度，对毫米波相控阵天线的关键技术及其发展进行介绍和讨论。
一、关键技术分析
（一）多波束形成能力
为了使相控阵天线的战术性能进一步的提升，这就要求相控阵天线必须具有多波束形成能力。利用相控阵的多波束可以使天线空中探测的区域大幅度提高，同时提升了相控阵天线对空中多个目标进行同时监测的能力。多波束相控阵天线多波束形成技术不仅在相控阵雷达中有重要作用，现在也被大量应用于通信、电子战以及无线电导航等领域中，其重要性不言而喻。
（二）毫米波T/R组件
T/R组件是毫米波相控阵天线的关键部件，主要包括发射信号功率放大器、低噪声放大器（LNA）、移相器以及驱动电路和保护电路等功能电路。一般的相控阵天线都有成百上千个T/R组件，对于大功率的毫米波相控阵天线雷达，T/R组件都是高度集成化毫米级器件，数量有可能达到上万个。
决定T/R组件性能主要有两个指标是：（1）功率转换效率（power added efficiency）；（2）T/R组件的成本。功率转换效率是设备输出功率同整个组件的功率的比值〔3〕。图1显示的是两种采取不同工艺技术的T/R组件的在不同工作频率下的PAF值，从图中可以看出，PHFMT和MFSFFT器件随着工作功率的增大，T/R组件的PAF的值是逐渐降低的，尤其当工作频率达到ka波段的时候，转换功率大幅度降低。当天线雷达组件达到毫米波级别时，所有组件的价格也将大幅度提高。所以在T/R组件设计的时候要对上述两个指标综合考虑进行权衡。
二、毫米波全向共形微带天线设计
（一）微带贴片单元天线的设计
微带天线由三部分构成，包括微带贴片、介质基板以及金属接地板，一面敷以金属辐射片，一面敷以金属薄层作为接地板，中间是介质基片[3]。辐射片可以被设计成各种形状。本设计采用的是矩形微带天线。
微带天线的辐射由微带天线导体边沿和地板之间的边缘场产生[#]。
（二）馈电方式
微带天线有多种馈电方式，大体分为侧馈、背馈和藕合馈电。背馈通常用于当矩形微带天线作为独立的天线应用时；当要求微带天线的结构为双层（或多层）结构时常用藕合馈电[f51。而侧馈通常用于当贴片作为微带天线阵的阵元时。这种馈电方式制作工艺简单，微带馈线单元可以方便的和天线贴片单元一起光刻，因此本设计选择侧馈形式。
（三）微带共形阵理论
微带天线剖面低，可以制成共形阵列天线。全向微带共形阵有两种设计方式：线极化的连续辐射器和并馈的线极化（圆极化）贴片阵。连续环绕式微带天线利用条状微带环绕在共形体圆周上，沿圆周若干点处等间距的用并联网络馈电。另一种是沿圆柱的圆周排列若干个矩形贴片辐射元，并对每个辐射元进行等幅同相馈电。
三、毫米波天线测量系统的建设
（一）温度对毫米波测量系统的影响
近场测量根据奈奎斯特原理需要在半个波长以内进行采样，对于毫米波天线来说，其测量采样需要在半个毫米内完成，因此采样点会变得非常密集，同时如果天线的尺寸也比较大，则采样时间将会非常长，例如一个直径lm的87GHz的天线，进行一次平而近场采集约需要20小时的时间。考虑到被测天线和扫描架系统均是由金属材料组成，随着温度的变化，其发生的细微形变都有可能影响到测量精度。
（二）测量结果的误差分析和补偿
如果是建设远场毫米波测量系统，其误差主要来自于系统动态范围不足以及测试距离不够远，选择适当的性能的扩频设备并在保持满足动态范围的情况下保持适当的测试距离其测量结果通常是可信的。
而如果是建设的平而近场测量系统，则影响测量精度的因素会很多，但无论是来自于机械的还是射频的还是其它方而的，都可以通过误差定向测量的方法来量化分析，现在的依据主要是关国国家标准局制定的18项误差标准。但由于对18项误差的标定测量非常耗时，一套18项误差对于毫米波测量系统的标定来说通常需要耗费一个月的时间，而这18项误差中的截断误差、收发天线的互祸和多次反射误差、微波暗室的散射反射误差和射频系统的泄漏误差等四项误差源对总的误差贡献了95%以上的误差，因此为了节省时间同时又能够评估系统的测量结果的可信度和误差范围，会采用进行四项误差标定的方法标定误差值作为整个系统误差的范围。
结语：
我们通过对毫米波天线测量的理论分析和工程验证，证实了近场毫米波测量系统的可实施性，为未来毫米波天线测量的研发调试提供了有力的基础，相关实验验证的分析准确性和可行性，也为后期发展短毫米波乃至太赫兹天线测量系统提供了理论依据，具有深远的意义。
参考文献
[1] 張博.面向5G的毫米波技术应用分析[J].数字通信世界，2019（03）：63.
[2] 张艳杰.毫米波相控阵天线关键技术分析[J].信息系统工程，2019（01）：106-107+110.
[3] 周霞，刘国华，叶晓东，尹小林.一种低剖面矩形的毫米波天线设计天线[J].电脑与信息技术，2018，26（06）：36-38.
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