引 言

星载相控阵的快速发展,使得相控阵相比传统天线的优势更加明显. 其中星载相控阵天线可利用单一口径实现多波束扫描,适用于具有多目标移动通信需求的通信卫星. 对于中继卫星系统,采用相控阵天线可以增加服务对象数量,极大地提高了卫星的应用效能. 而有源相控阵采用固态功放,频带较宽,并且可实现空间功率合成,辐射功率是单发射机的数倍,易于实现大容量通信[1]. 有源相控阵天线采用小间距,可以实现大角度扫描. 因此,星载有源相控阵天线的需求在不断增加.

常见的Ku频段相控阵天线阵元有对称振子[2-3]、介质加载波导[4]和微带贴片[5]. 对于文献[4]中的介质加载波导天线,其内部填充较多介质材料,长期经受剧烈的温变,可能会造成腔体开裂或介质脱落的现象,可靠性不高,不适用于星载环境. 文献[5]中的微带天线不仅介质材料无法长期承受温变环境,而且带宽较窄. 文献[2-3]中对称振子天线主要由结构件组成,可靠性高,介质材料选用PEI(聚醚酰亚胺),该材料具有优良的机械性能,微波性能稳定,耐温和耐辐照性能优良,在宇航领域也有大量应用. 在星载相控阵天线的设计中,除了阵元结构的设计外,阵元间的互耦也是所要研究的重点. 阵元间的互耦是扫描角的函数,阵元的波束宽度决定了相控阵天线的扫描能力,当阵元间距一定时,波束宽度越宽互耦越大,导致在大角度波束扫描时容易引起较高副瓣,导致星间干扰. 因此如何降低阵元间的互耦是本文所要解决的主要问题.

目前解决互耦问题的方法主要有软件和硬件方法. 软件方法是通过分析建立相控阵天线的互耦系数矩阵,然后通过有源校正的方法实现互耦补偿. 硬件方法是对天线结构进行改进,以达到削弱互耦的目的,本文主要研究硬件方法. 目前已有很多文献通过采用电磁带隙(electromagnetic band-gap,EBG)[6]和缺陷地结构(defected ground structure,DGS)的表面波带隙特性来减小天线阵元的互耦[7],但EBG结构需要较多的周期性单元,会增加天线体积;DGS虽结构体积小、结构简单,但是缺陷的设计会对星载对称振子天线阵列结构可靠性造成较大影响.并且,这些成果主要针对微带阵列天线,未解决Ku频段对称振子单元的互耦. 因此本文提出通过加载金属腔体的方式,最终实现相控阵天线在二维 ± 60°范围内低副瓣波束扫描的特点, 有效地降低了天线阵元间的互耦,对未来天线的工程应用具有很高的实用价值.

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1 天线设计

1.1 天线单元设计

文中所研究的相控阵天线应用于星载环境中,综合考虑电性能、机械性能及环境适应性要求,通常选用对称振子的方案进行组阵,但是阵元间的互耦仍没有得到有效的降低.

常规对称振子单元采用同轴线馈电,平衡器为开槽线巴伦结构. 根据相控阵天线在二维±60° 范围内宽波束扫描要求,相控阵单元间距设定为0.5λ0×0.5λ0[2](λ0为中心频率f0对应的自由空间波长),对称振子单元结构如图1所示.

图1 对称振子单元示意图 Fig.1 Schematic diagram of the dipole element

采用HFSS仿真软件对0.5λ0×0.5λ0间距下阵元间的互耦进行了仿真分析,结果如图2所示.

图2 互耦仿真结果 Fig.2 Results of mutual coupling simulation

本文在仿真分析的基础上,对所设计的阵元及5×5子阵进行了加工测试,图8(a)、图8(b)分别给出了阵元图和5×5子阵的前视图,并给出仿真及实测对比结果.

图3 阵元结构示意图 Fig.3 Schematic diagram of the element structure

在图3中,阵元主要由腔体、振子、耦合网络、盖板及SMP接口五部分组成. 其中振子穿过腔体、耦合网络和盖板,通过螺纹与SMP 接口连接. 通过仿真优化,最终确定了阵元的尺寸如图4所示, 阵元的尺寸取值如表1所示.

北江水运发展迅速，船舶往来沟通南北为地区经济作了重大贡献。但由于干流上的五级枢纽船闸通行效率较差，随着近年来沿岸地区水运需求的增大而备受诟病。2014年8月，北江千吨级航道扩能升级工程建设启动，将新建复线船闸7座，2019年4月清远枢纽二线船闸即将建成投入使用，“面对越来越多的船闸，如何更高效运营管理，激活水运活力”成为了航道管理部门的一道必答题。

图4 阵元尺寸图 Fig.4 Geometry of the array element

表1 阵元尺寸 Tab.1 Dimensions of the proposed array element mm

参数W1W2W3W4H1H2H3H4数值0 801 000 508 300 600 406 307 20参数D1D2D3D4L1L2T1R1数值0 300 382 403 207 285 000 301 50

1.2 5×5子阵及16×16阵列仿真设计

图5为验证电性能设计的5×5子阵仿真结构图,阵元排布方式为矩形排布,阵元间距为0.5λ0×0.5λ0.阵元编号如图5(b)所示.

(a) 侧视图 (a) Side view

(b) 俯视图 (b) Top view 图5 5×5天线子阵结构示意图 Fig.5 Schematic diagram of 5×5 subarray structure

图6给出了5×5子阵E面(YOZ面)和H面(XOZ面)在0°,30°和60°波束扫描方向图仿真结果.沿E面扫描,0°时(每个阵元加幅度为1相位为零的激励),子阵的法向增益为19.70 dBi,副瓣电平(side-lobe level, SLL)为-13.97 dB,3 dB波束宽度为19.1°;当扫描到60°时(每个单元加幅度为1且相位按扫描角度均匀递变的激励),子阵的增益为16.50 dBi,SLL为-6.58 dB,3 dB波束宽度为26.6°. 沿H面扫描,0°时子阵的法向增益为19.70 dBi,SLL为-13.97 dB,3 dB波束宽度为18.9°;当扫描到60°时,子阵的增益为17.43 dBi,SLL为-6.55 dB,3 dB波束宽度为25.2°. 并且单元互耦仿真值均小于-15.7 dB(见图9),从仿真结果来看,扫描特性是符合要求的.

项目采用欧盟水框架指南（EU Water Framework Directive）的标准，在德国专家的具体指导下，在北京开展了6条示范小流域88km小型河（沟）道的生态调查、评价、规划、设计和示范工程建设工作，目的是修复和保持水体的生态功能，增加水体的景观和生态价值。

(a) E面 (a) E-plane

(b) H面 (b) H-plane 图6 5×5子阵波束扫描方向图仿真结果(频率为f0) Fig.6 Simulated far-field pattern of the 5×5 suarray at f=f0

为了进一步验证天线单元能否满足相控阵天线的扫描特性,对16×16相控阵天线进行了仿真分析.

图11(a)、11(b)给出了天线工作在fL时仿真和实测方向图.

2.人事管理体制改革。建议参照自治区外部分旅游区（开发区）和南宁高新区管委的模式，允许涠管委、涠洲镇及其所属事业单位，探索实行全员聘任制。除涠管委领导班子成员和涠洲镇领导班子正职外，其他所有人员实行竞争上岗，按岗履职，按岗设酬。原在编人员实行身份挂档（挂档期间正常办理晋升职务、年度考核和工资调档，调动时仍按原身份进行）。

图7给出了16×16阵列E面(YOZ面)和H面(XOZ面)在0°,30°和60°扫描方向图仿真结果.沿E面扫描,0°时阵列的法向增益为28.94 dBi,SLL为-14.7 dB,3 dB波束宽度为6.2°;60°时阵列的增益为26.72 dBi,SLL为-14.67 dB,3 dB波束宽度为12.0°;从0°扫描到60°,E面增益下降了2.22 dB,波束指向最大误差为1.4°. 沿H面扫描,0°时阵列的法向增益为28.94 dBi,SLL为-14.72 dB,3 dB波束宽度为6.2°;60°时阵列的增益为25.81 dBi,SLL为-13.86 dB,3 dB波束宽度为12.0°;从0°扫描到60°,H面增益下降了3.13 dB,波束指向最大误差约为1.2°. 随着天线波束扫描角度的增大,天线增益逐渐下降,同时3 dB波束宽度变宽,波束指向误差逐渐增大,增益下降及指向偏差在设计范围内,满足相控阵天线扫描特性要求.

德育过程既是说理、训练的过程，也是情感陶冶和潜移默化的过程。教师自身的形象和教师体现出来的一一种精神对学生的影响是巨大的，也是直接的。只有教师以身作则，为人师表，才能塑造学生美好的心灵。例如；我平常总教育学生注重保护环境卫生，看到地上有垃圾就该随手捡起扔进垃圾桶。教师自己做好，养成这种良好的行为习惯，学生看多了自然也意识到了。另外，教师的板书设计、语言的表达、教师的仪表等都可以无形中给学生美的感染，从而陶冶学生的情操。教师必须身体力行，走入孩子的心灵深处，处处做学生的表率，以自己的人格和言论感化学生。

(a) E面 (a) E-plane

(b) H面 (b) H-plane 图7 16×16阵面波束扫描方向图仿真结果(频率为f0) Fig.7 Simulated far-field pattern of the 16×16 array at f=f0

2 仿真及实测结果

由图2可知,在f0 ±500 MHz频带内,相邻阵元间互耦仿真结果最差为-12.1 dB,这样相控阵天线在大角度扫描时容易引起高副瓣. 为了降低天线阵元间的互耦,文中采用在对称振子周围加载金属腔体的方法,通过反射地板将对称振子单元由全向辐射变为定向辐射,并通过在振子周围增加金属边界,改变了电磁场分布,降低了天线阵元之间的能量耦合, 最终实现了降低天线阵元间互耦的目的. 相控阵阵元结构如图3所示.

11月12日晚，位于迪庆德钦的灾民安置点灯火通明，“没想到一入住安置点灯就亮了，有亮光就觉得有希望，心里也就踏实了。”夜幕下，提前转移至灾民安置点的群众脸上露出了温暖的笑容。迪庆供电局、丽江供电局早在堰塞湖形成之初，就主动靠上去，提前和当地政府联系，及时掌握安置点的动态变化情况同步开展供电接线工作，确保“搭建一顶帐篷，点亮一盏电灯”。

(a) 阵元图 (b) 5×5子阵前视图 (a) Side view of element (b) Top view of 5×5 subarray 图8 实物样机 Fig.8 Photograph of the antenna prototype

2.1 5×5子阵互耦特性

图9(a)、(b)、(c)分别给出了5×5子阵列在fL、f0和fH频率时,中心单元与周边各单元之间的互耦仿真和实测值. 单元编号见图5(b).

(a) f=fL

(b) f=f0

(c) f=fH 图9 5×5子阵列中心单元与周边各单元互耦值 Fig.9 Simulated and measured mutual coupling of the central and peripheral elements of 5×5 subarray

从图9可以看出,实测互耦值小于-16.24 dB,仿真值(-15.7 dB)与实测值基本吻合,对称振子周围加载金属腔体的方案对降低阵元之间的互耦是有效的,互耦满足相控阵天线的要求.

2.2 阵元电压驻波比特性

如图12(a)所示,天线在φ=90°面(E面)实测3 dB波束宽度98°,5 dB波束宽度115°.

图10 电压驻波比随频率变化曲线 Fig.10 Simulated and measured VSWR of the element

使用矢量网络分析仪Wiltron37269(频率40 MHz ～ 40 GHz)对天线进行了测试,在15.1～16.8 GHz频率范围内天线电压驻波比小于2,仿真和测试结果吻合较好.

2.3 阵元方向图特性

一是与国际知名航运企业进行深度合作，开辟新的海运直达航线；明确各港口功能定位，错位发展，建设上海北翼江海组合港，融入长江经济圈；二是构建便捷高效的路上运输网络，主要包括铁路和公路建设。三是打造方便快捷的空运运输通道，开通更多的对外直航航线，进一步拓展多式联运范围，实现水陆空一体，尽快融入上海国际航空枢纽的一类开放口岸圈。

(a) E面 (a) E-plane

(b) H面 (b) H-plane 图11 阵元方向图(频率为fL) Fig.11 Simulated and measured radiation patterns of the array element at f=fL

如图11(a)所示,天线在φ=90°面(E面)实测3 dB波束宽度99°,5 dB波束宽度116°.

图12(a)、12(b)给出了天线工作在f0时仿真和实测方向图.

如图11(b)所示,天线在φ=0°面(H面)实测3 dB波束宽度115°,5 dB波束宽度127°.

(a) E面 (a) E-plane

(b) H面 (b) H-plane 图12 阵元方向图(频率为f0) Fig.12 Simulated and measured radiation patterns of the array element at f=f0

图10给出了阵元仿真和实测电压驻波比随频率变化的曲线图.

如图12(b)所示,天线在φ=0°面(H面)实测3 dB波束宽度114°,5 dB波束宽度126°.

图13(a)、13(b)给出了天线工作在fH(f0+500 MHz)时仿真和实测方向图.

(a) E面 (a) E-plane

(b) H面 (b) H-plane 图13 阵元方向图(频率为fH) Fig.13 Simulated and measured radiation patterns of the array element at f=fH

如图13(a)所示,天线在φ=90°面(E面)实测3 dB波束宽度98°,5 dB波束宽度113°.

如图13(b)所示,天线在φ=0°面(H面)实测3 dB波束宽度113°,5 dB波束宽度122°.

由图11～13可以看出,方向图仿真和测试结果吻合较好.

3 结 论

本文研究了工作于Ku频段的低互耦星载相控阵天线的设计,通过对5×5子阵和16×16阵列的研究,证明在阵列单元周围加载金属腔体的方法能够有效地降低阵列单元之间的互耦效应,从而改善了相控阵天线的方向图扫描特性. 测试结果表明,天线电压驻波比、互耦、方向图等电性能满足要求,相控阵天线满足在±60°的扫描要求,该天线结构可靠性高、电性能优良、环境适应性强,可广泛应用于相控阵雷达系统.

2009年版和2017年版《国家基本医疗保险、工伤保险和生育保险药品目录》对比及发展研究 ……………… 沈怡雯等（9）：1153

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