寬帶寬角掃描雙極化陣列天線設(shè)計(jì)*

官 偉，秦 浩，張小林

(華東電子工程研究所，合肥 230088)

1 引言

現(xiàn)代電子對(duì)抗、寬帶通信等領(lǐng)域?qū)ψ鳛樯漕l前端的天線要求越來越高，寬頻帶適應(yīng)頻域?qū)掗_的要求，寬角掃描則能夠帶來更大的空域覆蓋范圍，多極化使得系統(tǒng)克服了極化失配帶來的增益損失。本文設(shè)計(jì)一種寬帶寬角掃描雙極化vivaldi 陣列天線，在其工作頻帶1～6 GHz 內(nèi)，掃描角度達(dá)到±60°，天線單元陣中駐波小于1.5，能夠很好地適應(yīng)上述要求。

2 寬帶寬角掃描天線單元設(shè)計(jì)

微帶天線以其體積小、重量輕、低剖面、能與載體共形等特點(diǎn)得到廣泛應(yīng)用。對(duì)于微帶天線來說，寬頻帶和小型化是其發(fā)展方向［1］。作為一種寬頻帶、高增益的行波縫隙天線，vivaldi 天線適合作該陣列天線的基礎(chǔ)單元。所以，考慮采用微帶形式設(shè)計(jì)該vivaldi 天線單元［2-4］，其基本原理是:通過微帶傳輸線把能量耦合到天線貼片上并輻射，其逐漸變寬形成喇叭口形狀的縫隙結(jié)構(gòu)是輻射或接收能量的主體，其中不同的工作頻點(diǎn)對(duì)應(yīng)相應(yīng)的λ/2的縫隙寬度(λ為該頻點(diǎn)的波長(zhǎng)），如圖1所示。

該天線的結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，由兩層微帶板粘合而成，其中最頂層、中間層和最底層為金屬，如圖2所示。最頂層和最底層金屬結(jié)構(gòu)是相同的，均為槽線(如圖1 實(shí)線所示）的縫隙結(jié)構(gòu)。槽線由3 部分構(gòu)成，第1 部分是圓形槽線，對(duì)微帶傳輸起到阻抗匹配作用；第2 部分是矩形槽線，和微帶傳輸線起到相互耦合傳輸電磁波的作用；第3 部分是漸變槽線，對(duì)天線所輻射的電磁波起到引向作用。中間層是饋電的微帶線(虛線所示），微帶線的終端為扇形結(jié)構(gòu)，主要起到終端負(fù)載匹配作用，微帶線通過該介質(zhì)板向槽線耦合饋電。為了改善天線的接地效果，在槽線周圍布滿了金屬化孔，這些金屬化孔對(duì)增加天線的帶寬也起到了很大的作用［5］。

圖1 vivaldi 寬頻帶天線結(jié)構(gòu)圖

圖2 vivaldi 寬頻帶天線俯視圖

根據(jù)微帶傳輸線及槽線理論，結(jié)合具體的設(shè)計(jì)要求，本文采用Gibson 提出的vivaldi 天線指數(shù)模型公式，即

設(shè)計(jì)了表達(dá)式為

的vivaldi 天線，采用相對(duì)介電常數(shù)為2.94的介質(zhì)板，天線單元尺寸為100 mm×30 mm×3.102 mm。

在設(shè)計(jì)了陣列天線的各項(xiàng)基本參數(shù)后，借助高頻仿真軟件HFSS11 對(duì)陣列天線進(jìn)行了仿真分析，通過進(jìn)一步優(yōu)化，得到了較為滿意的仿真結(jié)果。圖3為其仿真模型。圖4為單元波瓣仿真結(jié)果。仿真結(jié)果表明，該單元適合寬帶寬角掃描陣列天線組陣。

圖3 陣列天線仿真模型

圖4 單元波瓣仿真圖

3 寬帶寬角掃描陣列天線設(shè)計(jì)

為了保證陣列天線具有±60°的掃描能力而不出現(xiàn)柵瓣，輻射元的方位向間距dx須滿足［6］

其中，λ為天線的最小工作波長(zhǎng)，sinθmax為天線偏離陣面法向的最大掃描角，△為輻射單元數(shù)目的倒數(shù)。圖5為單元矩形柵格排列示意圖。

按照天線兩個(gè)面波束要求，組成9 列×8 行的一個(gè)矩形陣。由上述確定的矩形柵格尺寸可知整個(gè)天線陣面的尺寸為:L=9×30=270 mm；W=8×30=240 mm。天線陣列仿真模型見圖6。按照?qǐng)D6的仿真優(yōu)化結(jié)果，加工的寬帶寬角掃描陣列天線實(shí)物照片如圖7所示。

圖5 單元矩形柵格排列示意圖

圖6 寬度寬角掃描陣列天線仿真模型

圖7 寬度寬角掃描陣列天線實(shí)物照片

4 陣列天線測(cè)試結(jié)果

采用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀Agilent8719ES 對(duì)該陣列天線陣中駐波進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖8所示。將寬帶寬角掃描陣列天線與寬帶波束形成網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行組合，在室內(nèi)遠(yuǎn)場(chǎng)對(duì)該陣列天線波瓣進(jìn)行了測(cè)試，表1為陣列天線波瓣測(cè)試結(jié)果，典型的波瓣圖如圖9所示。實(shí)測(cè)結(jié)果表明，陣中單元的駐波小于1.5，掃描角度達(dá)到了±60°，兩個(gè)極化的波瓣圖在整個(gè)頻帶內(nèi)一致性較好，滿足設(shè)計(jì)要求。

圖8 陣中單元實(shí)測(cè)駐波曲線

圖9 陣列天線典型波瓣圖

表1 陣列天線波瓣測(cè)試結(jié)果

5 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種寬帶寬角掃描雙極化陣列天線，工作于1～6 GHz。通過對(duì)系統(tǒng)的仿真分析，設(shè)計(jì)出的天線掃描角度達(dá)到±60°，天線駐波小于1.5。由天線遠(yuǎn)場(chǎng)輻射方向圖實(shí)測(cè)結(jié)果可以看出，此陣列天線在整個(gè)頻帶內(nèi)一致性很好，兩個(gè)極化均達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，在電子戰(zhàn)、寬帶通信等領(lǐng)域具有很好的應(yīng)用價(jià)值。

［1］鐘順時(shí).微帶天線理論與應(yīng)用［M］.西安:西安電子科技大學(xué)出版社，1991.

［2］劉密歌.Vivaldi 寬頻帶微帶天線的設(shè)計(jì)與仿真［J］.現(xiàn)代電子技術(shù)，2007，23(2）:95-96.

［3］Sze Jiayi，Wong Kinlu.Bandwidth Enhancement of a Microstrip-line-fed Printed Wide-slot Antenna［J］.IEEE Trans.on AP，2001 (7）:1020-1023.

［4］徐志，劉其中.改進(jìn)型vivaldi 天線［J］.電波科學(xué)學(xué)報(bào)，2008，23(3）:471-475.

［5］H Holter，T H Chio and D H Schaubert.Experimental result s of 144-element dual-polarized endfire taperedslot phased arrays［J］.IEEE Trans.on Antennas and Propagation，2000，48 (11）:1707-1718.

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