超寬帶Vivaldi陣列天線設(shè)計(jì)

袁 晶 王元源 華根瑞

(西安電子工程研究所 西安 710100)

1 引言

超寬帶(Ultra Wide-Band，UWB)技術(shù)起源于二十世紀(jì)五十年代末［1，2］，上世紀(jì)六十年代就已經(jīng)出現(xiàn)了有關(guān)UWB的發(fā)射機(jī)和接收機(jī)技術(shù)。近年來，信號處理、半導(dǎo)體固態(tài)器件的超寬帶技術(shù)的發(fā)展迅猛，使得寬帶、超寬帶系統(tǒng)進(jìn)一步走入工程化。超寬帶技術(shù)具有抗干擾能力強(qiáng)，保密性好等諸多優(yōu)勢，在通信與雷達(dá)領(lǐng)域得到日益廣泛的應(yīng)用。而作為UWB系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備的超寬帶天線，其功能應(yīng)用、設(shè)計(jì)方法及制造工藝均已成為國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。

此外，為了應(yīng)對未來戰(zhàn)場日益惡劣的復(fù)雜電磁環(huán)境，同時(shí)降低電子系統(tǒng)的體積與重量，今后的趨勢是在各類軍用載體平臺上實(shí)現(xiàn)雷達(dá)、電子戰(zhàn)、通信、導(dǎo)航定位等多項(xiàng)功能的集成融合，即綜合射頻的概念。而實(shí)現(xiàn)該目標(biāo)的核心技術(shù)就是天線孔徑的綜合設(shè)計(jì)，為了能實(shí)現(xiàn)天線的孔徑共享，覆蓋雷達(dá)、電子戰(zhàn)、通信和導(dǎo)航等多波段的超寬帶陣列天線技術(shù)將是重要的研究基礎(chǔ)。因此，超寬帶陣列天線技術(shù)有著十分寬廣的應(yīng)用前景。

基于以上需求，本文設(shè)計(jì)并加工了一維超寬帶陣列天線，其輻射單元采用錐形漸變開槽輻射器［3～6］(Vivaldi天線)。通過在陣中優(yōu)化參數(shù)使單個(gè)天線單元在6～18GHz頻帶內(nèi)擁有良好的駐波特性，同時(shí)其口徑尺寸小于高頻端波長。整個(gè)陣列經(jīng)由阻抗?jié)u變的微帶功分器［7］級聯(lián)饋電，在6～18GHz頻帶范圍內(nèi)不但駐波比小于2.1，并且表現(xiàn)出優(yōu)良的輻射特性。

2 工作原理與設(shè)計(jì)

2.1 天線單元設(shè)計(jì)

超寬帶陣列采用Vivaldi天線作為陣列單元，Vivaldi天線是一種非周期、漸變的行波天線，它由呈指數(shù)規(guī)律變化的槽線構(gòu)成，將介質(zhì)板上的槽線寬度逐漸加大，形成喇叭口向外輻射或向內(nèi)接收電磁波。對于某一工作頻率，只有槽線寬度與波長接近的區(qū)域才能向空間形成有效的輻射，當(dāng)工作頻率發(fā)生變化，其輻射區(qū)域也相應(yīng)變化，且輻射區(qū)域槽線的寬度與輻射的波長成比例。由于在不同工作頻率下，Vivaldi天線的電尺寸始終保持不變，因此其具有寬頻帶特性，理論上可以達(dá)到無限大帶寬。除此之外，Vivaldi天線副瓣低，增益適中，波束寬度可調(diào)，并且為微帶結(jié)構(gòu)，尺寸小，成本低，結(jié)構(gòu)簡單易于加工，十分適合應(yīng)用于印刷電路中，作為超寬帶陣列單元具有良好的性能。

由于Vivaldi天線單元間沿電場極化方向隔離度較低，耦合對單元駐波影響十分明顯，尤其是在較低頻段。因此，在設(shè)計(jì)單元時(shí)需要將其置于陣列環(huán)境中進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，以達(dá)到拓展低頻端帶寬的目的。

圖1 天線輻射單元

圖1所示是在HFSS軟件下建立的陣列仿真模型，陣中輻射單元數(shù)量為8個(gè)，單元間距為15mm，PCB板材采用聚四氟乙烯玻璃布板，介電常數(shù)2.2，厚度為0.78mm。為了改善輻射單元的邊緣效應(yīng)，降低單元駐波，提高天線陣整體性能，需要在陣列邊緣各寄生一個(gè)非輻射單元。在工作帶寬內(nèi)，波長滿足 λ18GHz＜ λ ＜ λ6GHz，其中，λ18GHz=16.7mm，λ6GHz=50mm。由于陣中單元間距僅為15mm，小于高頻端波長，因此，在法向輻射時(shí)，全頻段方向圖不會出現(xiàn)柵瓣。此外，單元間距僅為最大波長的0.3倍，天線陣列具備在低頻段進(jìn)行寬角掃描的能力。

考慮到陣中單元口徑受限(僅為最大波長的0.3倍)，單個(gè)天線無法達(dá)到低頻段(6～8GHz)駐波小于2.5的要求。組陣后，由于沿天線極化方向的互耦增強(qiáng)(相鄰單元耦合系數(shù)約為14dB);同時(shí)，沿介質(zhì)基板的表面波也對耦合產(chǎn)生顯著影響。耦合能量的引入可有效抵消低頻段回波反射，從而起到在全頻段內(nèi)改善駐波，提高陣列性能的作用。

2.2 饋電網(wǎng)絡(luò)

饋電層由多級漸變線功分器［7］構(gòu)成。圖2所示為微帶饋電網(wǎng)絡(luò)的仿真模型，其輸出端口特性阻抗為50Ω。采用連續(xù)阻抗?jié)u變線構(gòu)成，通過調(diào)節(jié)各級聯(lián)功分拐角的角度、線寬及長度，達(dá)到改善整個(gè)網(wǎng)絡(luò)駐波的目標(biāo)。圖3(a)為全頻帶內(nèi)饋電網(wǎng)絡(luò)的駐波特性曲線，除在15～16GHz駐波比達(dá)到1.3以外，其他頻段駐波比均在1.2以下。圖3(b)則給出了漸變饋電網(wǎng)絡(luò)的插損，可知隨著工作頻率的升高，網(wǎng)絡(luò)的損耗大幅增加，分別為在6～12GHz頻帶內(nèi)小于1dB，12～18GHz頻帶內(nèi)小于2.4dB。由上可知，饋電網(wǎng)絡(luò)能夠滿足對超寬帶陣列的饋電要求。

3 仿真分析

陣列的輻射層由8個(gè)Vivaldi天線單元沿電場極化方向并排組成，通過在其兩端寄生非輻射單元，可以為陣內(nèi)的輻射單元提供相似的邊界條件，從而使其駐波特性趨于一致，圖4(a)所示為在陣列環(huán)境中，單個(gè)天線單元的仿真駐波曲線，可見其VSWR≤2。圖4(b)則給出了連接功分網(wǎng)絡(luò)后的總端口駐波仿真曲線，結(jié)果表明陣列在全頻帶的駐波≤2.2。

圖4 天線陣列輸入電壓駐波仿真曲線

圖5給出天線陣列在連接饋電網(wǎng)絡(luò)情況下的E面仿真方向圖，其高中低三個(gè)頻點(diǎn)的方向圖指標(biāo)在表1中列出。由仿真方向圖可以看出所設(shè)計(jì)的Vivaldi天線陣在全頻帶內(nèi)均具有規(guī)則且良好的輻射方向圖。

圖5 天線陣列E面方向圖仿真曲線

表1 超寬帶陣列天線仿真結(jié)果

4 實(shí)測數(shù)據(jù)與分析

根據(jù)仿真分析結(jié)果進(jìn)行了原理試驗(yàn)件的加工，加工天線的實(shí)物如圖6所示。并在6～18GHz全頻帶內(nèi)對陣列輸入端口的電壓駐波比以及遠(yuǎn)場輻射方向圖進(jìn)行了詳細(xì)測試。

圖6 超寬帶陣列天線實(shí)物圖

天線陣中心頻率為12GHz，通過軟件仿真結(jié)果可知在6GHz～18GHz的頻段范圍內(nèi)，天線輸入端的電壓駐波比(VSWR)＜2.2。圖7中給出了電壓駐波比的實(shí)際測試結(jié)果，由測試結(jié)果可知，陣列在全頻帶內(nèi)的駐波比＜2.1。

對天線方向圖的測試選擇6～18GHz頻帶內(nèi)的整數(shù)頻率點(diǎn)，頻率間隔1GHz，共測量了13個(gè)頻點(diǎn)的數(shù)據(jù)。對于一維線陣，圖8給出沿天線極化方向的E面方向圖。

圖9中對高中低三個(gè)頻點(diǎn)(6GHz、12GHz、18GHz)的天線仿真與實(shí)測方向圖進(jìn)行了對比，結(jié)果表明二者吻合良好，仿真結(jié)果可靠。從圖中可以看出，天線在各頻點(diǎn)處的主瓣與鄰近副瓣的測試結(jié)果與仿真曲線基本重合，天線陣在全頻帶內(nèi)具備良好的輻射性能。

圖9 E面仿真與實(shí)測天線方向圖

圖10中為天線在全頻帶內(nèi)的軟件仿真增益值與實(shí)測增益值曲線，從圖中可以看出，測試結(jié)果與仿真結(jié)果趨勢相同，在高頻端(15GHz～18GHz)隨著遠(yuǎn)區(qū)旁瓣的逐漸升高，以及饋電網(wǎng)絡(luò)損耗、接頭損耗的迅速增大，天線增益較頻帶中心區(qū)域(10～14GHz)出現(xiàn)明顯的下降，這與饋電網(wǎng)絡(luò)的仿真結(jié)果十分吻合。由此可見，對于Vivaldi超寬帶陣列而言，高頻端的網(wǎng)絡(luò)損耗對天線增益具有至關(guān)重要的影響，因此，在大型相控陣中應(yīng)用此類天線時(shí)，一維無源子陣的單元數(shù)目應(yīng)盡量不超過8個(gè)。

圖10 仿真與實(shí)測天線增益曲線

5 結(jié)論

本文針對超寬帶系統(tǒng)的應(yīng)用需求，設(shè)計(jì)并加工了覆蓋6～18GHz的Vivaldi超寬帶陣列天線，選用微帶漸變線功分器以及寄生單元的方案有效降低了陣列的駐波。實(shí)測數(shù)據(jù)與仿真結(jié)果吻合良好，實(shí)測結(jié)果表明天線陣列在6～18GHz的頻帶范圍內(nèi)具有良好的駐波與輻射特性。陣中單元間距小于高頻端波長，可應(yīng)用于大角度掃描的相控陣中。此外，本天線在超寬帶多功能系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛，通過采用十字交叉放置可以在極寬頻帶內(nèi)實(shí)現(xiàn)雙極化或多極化。在電子對抗、無源探測、穿墻雷達(dá)、綜合射頻孔徑方面有重要的應(yīng)用前景。并且制造成本低廉，易于實(shí)現(xiàn)小型化與低剖面。與國外研究成果相比，本課題在天線低頻端拓展、單元小型化以及多極化研究方面仍有進(jìn)一步提升的空間。

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