陶 靜，李祥祥

(中國(guó)船舶重工集團(tuán)第七二三研究所，江蘇 揚(yáng)州225101)

0 引 言

近年來(lái)，隨著軍用電子技術(shù)的快速發(fā)展，天線的設(shè)計(jì)開(kāi)始向?qū)拵?、小型化、低剖面等方向發(fā)展，因此應(yīng)用于通信與雷達(dá)領(lǐng)域的傳統(tǒng)超寬帶天線設(shè)計(jì)面臨越來(lái)越多的挑戰(zhàn)。緊耦合陣列天線是近年來(lái)提出的一種新型超寬帶陣列天線，與常規(guī)陣列天線設(shè)計(jì)時(shí)盡可能降低天線單元間的耦合的思路不同，緊耦合陣列天線直接利用天線單元間的互耦效應(yīng)以拓展天線的工作帶寬。

基于強(qiáng)互耦效應(yīng)的緊耦合相控陣天線技術(shù)，其基本設(shè)計(jì)思想可追溯到Wheeler在1965年提出的連續(xù)電流層陣列(CCSA)，這是一種不包含饋電結(jié)構(gòu)和反射地板的理想陣列天線，輸入阻抗和輻射阻抗均只含有電阻分量而不包含電抗分量，且只與波束指向有關(guān)[1]。Wheeler進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)距離地板一定高度的理想電流層在進(jìn)行側(cè)向輻射時(shí)工作帶寬能夠達(dá)到無(wú)限大。2003 年Munk 教授發(fā)現(xiàn)緊密排列的偶極子陣列天線可取得與CCSA天線相似的電流分布，進(jìn)而提出了利用強(qiáng)電容耦合偶極子的緊耦合陣列天線[2]。

目前，緊耦合陣列天線設(shè)計(jì)一般采用偶極子天線作為天線陣列單元，并在偶極子天線末端加載交指電容來(lái)增加陣元之間的耦合效應(yīng)，同時(shí)在天線上方加載單層或多層介質(zhì)板作為寬角匹配層以改善陣列的掃描特性。2012年Steve Holland基于緊耦合理論提出一款工作于7～21 GHz的平面雙極化陣列天線，該天線E 面、H面最大掃描角達(dá)45°，具有廣泛應(yīng)用前景[3]。

本文基于緊耦合結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了一款6～18 GHz的平面寬帶雙極化陣列天線。理論仿真結(jié)果表明，在工作頻帶內(nèi)該無(wú)限大陣列天線具有良好的阻抗匹配，且E 面、H面掃描角度達(dá)45°。鑒于可實(shí)用性，進(jìn)一步研究了9×9×2陣列天線，該有限大天線仿真結(jié)果基本與該無(wú)限大陣列天線吻合。相較于傳統(tǒng)寬帶相控陣天線，本天線具有低剖面、小型化的特點(diǎn)。

1 天線單元結(jié)構(gòu)

圖1所示為天線單元的幾何模型。如圖1(b)所示，天線采用偶極子天線作為單元，單元尺寸大小約為1/2λh，水平極化振子臂、垂直極化振子臂位于不同平面上，振子臂尾端上下交疊，形成交指電容以增強(qiáng)單元間的耦合效應(yīng)。天線單元的饋電形式較為簡(jiǎn)單，從振子一臂直接饋電，另一臂則與地相連短接。為抑制不平衡饋電所帶來(lái)的共模激勵(lì)，振子兩臂均與地相連接，通過(guò)調(diào)節(jié)短接過(guò)孔的距離將共模諧振移除工作頻帶范圍。如圖1(c)所示，天線單元分為3層，Layer 1采用Rogers 5880LZ材料，作為介質(zhì)匹配層可改善天線的掃描特性，其厚度約為1/4λh；Layer 2采 用Rogers 5880材 料，厚 度 為0.125 mm，偶極子天線水平極化、垂直極化部分分別印制于其上下兩面；Layer 3采用Rogers 5880LZ材料作為支撐層，其厚度約為1/4λh。

2 天線的仿真與結(jié)果分析

采用Ansoft/Ansys HFSS軟件，利用主從邊界構(gòu)建無(wú)線大周期陣列，經(jīng)過(guò)優(yōu)化所得有源駐波如圖2所示，在6～18 GHz范圍內(nèi)，該無(wú)限大陣列E 面、H面掃描角達(dá)45°時(shí)，有源駐波依舊小于3，具備良好的寬角匹配性能。圖3 為天線單元的輻射方向圖，在工作頻帶范圍內(nèi)，單元增益如圖4所示，最大為3.9 dBi。

為驗(yàn)證無(wú)限大邊界條件的仿真結(jié)果，建立有限大天線陣列模型進(jìn)行對(duì)比，有限大陣列模型為9×9×2，如圖5所示。以水平極化為例，其中各端口無(wú)源駐波如圖6(a)所示。可見(jiàn)在6～18 GHz范圍內(nèi)，各端口駐波VSWR＜2.5，保持良好的阻抗匹配特性。而由于邊界截?cái)嘈?yīng)，陣列邊緣單元駐波呈現(xiàn)嚴(yán)重不匹配狀態(tài)，在實(shí)際應(yīng)用中可考慮在陣列邊緣增加虛元以減小邊界階段效應(yīng)對(duì)天線陣列電性能的不良影響。

圖6(b)所示為E 面掃描時(shí)，掃描角從0°至45°時(shí)，中心單元有源駐波均在3以下，而在H面掃描角從0°至30°時(shí)均在3以下，隨著掃描角度增加到45°，在低頻段6～7 GHz時(shí)，中心單元有源駐波明顯增大，但依舊小于4。如圖6(d)所示，單元增益在-5.9～5 dBi之間波動(dòng)，與無(wú)限大陣列仿真結(jié)果基本一致。

圖3 無(wú)線大陣列下單元方向圖

圖4 無(wú)限大陣列下單元增益

圖5 9×9×2陣列結(jié)構(gòu)示意圖

圖7為不同頻率下天線陣列中心單元輻射方向圖。從圖中可以看到，H面方向圖對(duì)稱(chēng)性較好，半功率波束寬度大概有120°，基本與周期邊界條件下吻合。然而如圖7(b)所示，天線陣列中心單元H面方向圖出現(xiàn)明顯畸變，與周期邊界條件下相比，方向圖起伏變大，存在明顯差異。這是由于陣列規(guī)模較小，水平極化右側(cè)邊緣單元的截?cái)嘈?yīng)所帶來(lái)的。如圖8所示為中心單元與相鄰端口的隔離度，在通帶范圍內(nèi)隔離度＜-6 dB。

圖9為等幅饋電的情況下天線陣列的相位掃描方向圖，從圖9可以看出通帶范圍內(nèi)天線指向性良好，滿足寬角掃描的特性。

圖6 9×9×2陣列水平極化駐波示意圖

圖7 9×9×2陣列水平極化中心單元輻射方向圖

圖8 9×9×2陣列饋電端口隔離度

3 結(jié)束語(yǔ)

本文基于緊耦合結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了一種6～18 GHz的寬帶陣列天線，天線單元尺寸0.47λh×0.47λh，剖面高度0.54λh，具有低剖面特性，工作頻帶范圍內(nèi)阻抗匹配良好，E 面、H面掃描角度達(dá)45°，具有良好的應(yīng)用前景。

圖9 9×9×2陣列水平極化E面掃描方向圖

[2]MUNK B A.Frequency Selective Surfaces：Theory and Design[M].New York：John Wiley &Sons，2000：94-94.

[3]HOLLAND S S，SCHAUBERT D H，VOUVAKIS MARINOS N.A 7-21 GHz dual-polarized planar ultrawideband modular antenna (PUMA)array[J].IEEE Transactions on Antennas &Propagation，2012，60(10)：4589-4600.