一種超寬帶、大掃描角Vivaldi天線陣列

劉陽洋 任宇輝 伍捍東 高寶建

(1.西北大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,西安 710127;2.西安恒達微波技術(shù)開發(fā)公司,西安710100)

一種超寬帶、大掃描角Vivaldi天線陣列

劉陽洋1任宇輝1伍捍東2高寶建1

(1.西北大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,西安 710127;2.西安恒達微波技術(shù)開發(fā)公司,西安710100)

設(shè)計并加工測試了一款雙面Vivaldi天線. 通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化,提高了饋電效率和阻抗帶寬,并在組陣后顯著降低了陣元間的互耦. 實測結(jié)果表明該天線可以實現(xiàn)在2～8 GHz的頻帶內(nèi)回波損耗(Return Loss, RL)小于-10 dB,平均增益大于5 dBi. 并采用“交錯排列”的思路,將所設(shè)計的雙面Vivaldi天線組成超寬帶陣列. 此種方式可以有效解決天線尺寸和最佳陣列間距之間的矛盾,進而抑制柵瓣,增大波束掃描角范圍. 仿真分析表明,在4～6 GHz時,E面交錯陣列比普通一維陣列的掃描角范圍提高20°左右.

超寬帶陣列;波束掃描;Vivaldi天線;大掃描角

引 言

隨著無線通信技術(shù)的快速發(fā)展,人們要求其天線系統(tǒng)具有增益高、頻帶寬、旁瓣低以及波束指向可控等特性. 而在實際應(yīng)用中,由于單個天線的輻射特性很難同時滿足上述要求,因此具有超寬頻帶、大掃描角特性的波束掃描陣列越來越受到人們的關(guān)注[1-2].

要設(shè)計出同時具有超寬帶、大掃描角特性的相控陣天線,必須從陣列單元的設(shè)計和組陣方式的優(yōu)化兩方面著手. 常見的超寬帶天線陣元主要有Vivaldi天線、Bowtie天線、雙錐天線、非頻變天線等[3-5]. 其中Bowtie天線往往要引入阻抗變換器和屏蔽腔,結(jié)構(gòu)略顯復(fù)雜. 雙錐天線雖然結(jié)構(gòu)簡單,但其增益較低且體積太大. 而非頻變天線,比如平面等角螺旋天線,雖然阻抗帶寬很寬,但沒有穩(wěn)定的相位中心,不同頻率相位中心的變化會導(dǎo)致脈沖的波形失真. 而Vivaldi天線是一種具有超寬頻帶和較高增益的端射行波天線,它除了輻射性能好之外,還具有尺寸小、易加工、成本低等特點,因此其日益成為多種超寬帶陣列的首選[6-8].而對于波束掃描陣列天線,還要考慮優(yōu)化單元間距和天線尺寸之間的矛盾,合理地調(diào)整組陣方式. 進而減小互耦,抑制柵瓣,增大波束掃描角范圍. 陣列天線在國內(nèi)外的研究非常多,但對于其它頻段(例如2～6 GHz)的寬掃描角相控陣天線的研究較少.

本文首先設(shè)計并加工、測試了一款雙面Vivaldi天線,其在2～8 GHz的頻帶內(nèi)回波損耗小于-10 dB,平均增益大于5 dBi. 雙面結(jié)構(gòu)的Vivaldi天線既可以保證系統(tǒng)的超寬頻帶特性,還能在組陣時有效減少單元間的互耦. 其次,將雙面Vivaldi天線單元組成一維掃描陣列,并創(chuàng)新性地采用“交錯排列”的思想,有效地抑制了陣列中柵瓣的影響,增大了掃描角度.

1 雙面Vivaldi天線設(shè)計

Vivaldi天線有單面、雙面,以及異面、共面等多種結(jié)構(gòu). 本文采用雙面結(jié)構(gòu)主要是為了在組成陣列時減小單元間的互耦. 如圖1(a)所示,典型的雙面Vivaldi天線單元由金屬輻射結(jié)構(gòu)、帶狀線饋線和介質(zhì)基板組成. 其中金屬輻射結(jié)構(gòu)又包括指數(shù)漸變曲線槽線、矩形槽線和圓形腔體三部分. 本設(shè)計中: 1)將四分之一波長短路矩形槽線(ls)改進為圓形腔結(jié)構(gòu); 2)將四分之一波長開路帶狀線(lm)改進為一個扇形結(jié)構(gòu); 3)在天線單元的槽線周圍布滿金屬化孔. 這些措施可以提高耦合效率,展寬帶狀線-槽線巴倫的阻抗帶寬,并且避免陣列天線寬角掃描波束出現(xiàn)盲斑[9].

(a) 整體視圖

(b) 幾何參數(shù)

(c) 實物照片圖1 雙面Vivaldi天線

金屬輻射結(jié)構(gòu)的指數(shù)曲線模型滿足[10]:

y=±(c1eRx+c2),

(1)

式中:P1(x1,y1)為指數(shù)漸變曲線起點坐標;P2(x2,y2)為終點坐標;R表示曲率.

對于帶狀線-槽線巴倫結(jié)構(gòu)則有[11-12]:

Zm=N2Zs,

(2)

(3)

(4)

式中:Zs指槽線特性阻抗;Zm指微帶線特性阻抗;N指帶狀線與槽線間的耦合因子.

本設(shè)計中,帶狀線和金屬輻射結(jié)構(gòu)都采用厚度t=0.036 mm的銅箔,介質(zhì)基板采用εr=2.65,h=2 mm,tanδ=0.001的微波復(fù)合介質(zhì). 其它參數(shù)根據(jù)公式(1)～(4)確定,具體如表1所示.

表1 雙面Vivaldi天線基本結(jié)構(gòu)主要參數(shù)

圖2(a)所示為單面Vivaldi天線與雙面Vivaldi天線回波損耗曲線對比,可看出加載金屬化孔的雙面Vivaldi天線回波損耗有明顯降低.圖2(b)所示為雙面Vivaldi天線仿真與實測回波損耗曲線,受實驗環(huán)境、加工誤差等因素的影響,實測比仿真結(jié)果在低頻段稍差一點,但仍能基本滿足在2～8 GHz的頻帶內(nèi)回波損耗(Return Loss,RL)小于-10 dB. 圖3給出了天線在2、4、8 GHz的實測方向圖. 可看出隨著天線的工作頻率升高,增益變大,波束變窄.

(a) 單面、雙面Vivaldi天線回波損耗曲線對比

(b) 雙面Vivaldi天線仿真、實測回波損耗曲線對比圖2 天線回波損耗曲線

(a) f=2 GHz

(b) f=4 GHz

(c) f=8 GHz圖3 雙面Vivaldi天線實測方向圖

2 超寬帶、大角度一維掃描陣列設(shè)計

2.1 傳統(tǒng)一維陣列天線的設(shè)計與分析

傳統(tǒng)的一維陣列有兩種排列方式.如圖4(a)所示,陣元沿著天線磁場方向排列,稱為H面陣列. 而在圖4(b)中,陣元沿著電場方向排列,則為E面陣列. 根據(jù)陣列天線理論,為了抑制柵瓣的出現(xiàn),陣元間距d需滿足

(5)

式中:λmin為工作頻段內(nèi)高頻對應(yīng)的最短波長;θ為天線主瓣輻射方向和陣列法向之間的夾角,而θmax為這個角度的最大值. 本設(shè)計中考慮互耦和柵瓣的影響,我們選擇d=0.7λmin.

以雙面Vivaldi天線為陣元,按照圖4所示排列方式組成1×32的陣列. 但當(dāng)組成E面陣列時發(fā)現(xiàn)因為天線單元寬度約為1.5λmin,無法滿足d=0.7λmin的條件. 因此,圖4(b)所示E面陣列的間距并不是最佳選擇.

(a) H面陣列

(b) E面陣列圖4 傳統(tǒng)一維陣列排列方式

給32個天線單元取等幅分布,加上漸進的相位:φ=-nkdsinθmax(n=0,1,…,31,k為波數(shù)). 當(dāng)φ=0時,天線的主瓣輻射方向為陣列的法向(θ=0°),此時陣列天線的掃描方向圖用ph0表示; 當(dāng)φ=φmax時,天線的主瓣指向最大掃描角度(θ=θmax),此時陣列天線的掃描方向圖用ph1表示. 工程中規(guī)定陣列天線方向圖柵瓣與主瓣幅值相差不小于10 dBi,故當(dāng)柵瓣與主瓣幅值相差等于10 dBi時所對應(yīng)的θ值即為最大掃描角度θmax. 我們依次改變θ值,通過HFSS軟件的參數(shù)掃描功能仿真陣列方向圖,確定陣列的最大掃描角度,由于組成陣列之后,回波損耗只在2～6 GHz達到-10 dB以下,因此陣列掃描只分析2、4、6 GHz三個頻點的方向圖,傳統(tǒng)一維陣列掃描結(jié)果如圖5所示.

通過分析可知:1)陣列的掃描角度范圍隨著頻率的增大而減小; 2)對于E面陣列,由于其固有尺寸使得陣元間距d>0.7λmin,所以在中、高頻段其柵瓣較大,無法實現(xiàn)波束掃描功能.

(a) H面陣列

(b) E面陣列圖5 傳統(tǒng)排列、等幅分布陣列掃描方向圖

2.2 交錯陣列天線的設(shè)計仿真

為了克服傳統(tǒng)排列方式中E面陣列在中、高頻段無法實現(xiàn)波束掃描的不足,創(chuàng)新性地采用了“交錯排列”的思路. 如圖6所示,沿著E面或磁場H面將每個雙面Vivaldi天線單元錯開一段距離(d2)排列,這樣就可以保證陣元的間距d1滿足公式(5)的要求,進而減小互耦、抑制旁瓣和提高波束掃描范圍. 本設(shè)計中,我們通過參數(shù)優(yōu)化選定d1=0.7λmin,d2=0.5λmin.

(a) H面陣列

(b) E面陣列圖6 交錯排列組陣方式

(a) H面陣列

(b) E面陣列圖7 交錯排列、Taylor分布陣列掃描方向圖

(a) H面陣列

(b) E面陣列圖8 交錯排列陣列試驗件

表2 傳統(tǒng)陣列和交錯陣列方向圖性能對比

同樣,對所設(shè)計陣列加上漸進的相位. 為了降低陣列旁瓣電平,對陣列采用Taylor分布進行幅度加權(quán)[13]. 這里設(shè)計旁瓣電平小于-20 dBi,等旁瓣數(shù)為3. 依次改變θ值,陣列的最大掃描角度如圖7所示. 將之前設(shè)計的傳統(tǒng)陣列和改進后的交錯陣列方向圖特性進行比較,結(jié)果見表2.

綜上分析,當(dāng)我們將傳統(tǒng)陣列改進為交錯陣列后:1)陣列的增益變化不大,且θ=0°和θ=θmax是增益相差在3 dBi以內(nèi); 2)陣列的波束掃描范圍有了較大改進. 尤其是對E面陣列而言,因為交錯排列使得陣元間距滿足了最佳條件,波束掃描范圍大大增加; 3)由于交錯排列時采用了Taylor陣列綜合的方法,陣列的旁瓣電平也比等幅分布時平均下降了4.7 dBi,系統(tǒng)的抗干擾性能大大改善. 4)盡管本文設(shè)計的雙面Vivaldi天線單元其阻抗帶寬可達四倍頻程(RL<-10 dB),但分析單元及陣列的方向圖特性,其最佳工作頻段為三倍頻程(2～6 GHz).

最后,加工了試驗件,實物照片如圖8所示. 但由于目前還缺少T/R組件等其他的一些設(shè)備、器件,因此暫時無法對天線系統(tǒng)的方向圖掃描特性進行測試.

3 結(jié) 論

2014年葉國華在文獻[14]提出了一種機載寬帶Vivaldi相控陣天線,在8～12 GHz的范圍內(nèi)實現(xiàn)波束掃描功能,本文則設(shè)計、加工、測試了一款工作于2～8 GHz的Vivaldi天線. 為了減小單元間的互耦,使其更加適合組成陣列天線,將經(jīng)典單面Vivaldi天線改進成雙面結(jié)構(gòu),并且在天線單元的槽線周圍布滿金屬化孔. 其次,針對傳統(tǒng)陣列中天線尺寸和陣元間距之間的矛盾,創(chuàng)新性地采用“交錯排列”的思路,使陣列在2～6 GHz內(nèi)實現(xiàn)波束掃描功能. 此外,其思路可方便地擴展到多維面陣中去.

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YE G H. Research on airborne broadband Vivaldi antenna and array technology[D]. Chengdu: University of Electronics Science & Technology of China, 2014.(in Chinese)

An ultra-wideband vivaldi array with large scanning angle

LIU Yangyang1REN Yuhui1WU Handong2GAO Baojian1

(1.SchoolofInformationScienceandTechnology,NorthwestUniversity,Xi’an710127,China;2.Xi’anHengDaMicrowaveTechnologyDevelopmentCompany,Xi’an710100,China)

A double-faced Vivaldi antenna is designed and tested. Through optimizing structure design, the feeding efficiency and the impedance bandwidth of the antenna are improved. Meanwhile, the mutual coupling between the elements is greatly reduced when the antenna is used for an array. The measured results show the return loss of the presented antenna is less than -10 dB from 2 to 8 GHz and the average gain is larger than 5 dBi. An ultra-wideband array is also formed by the Vivaldi antenna. In this array, the idea of “staggered arrangement” is adopted. This method can effectively solve the contradiction between the sizes and the spacing of antenna elements. So, the grating lobe of the array is suppressed, and the beam scanning angle range is markedly increased. The simulation analysis shows that the scanning angle of the staggered array of E-field is improved at least 20 degrees in 4-6 GHz.

ultra-wideband array; beam steering; Vivaldi antenna; large scanning angle

10.13443/j.cjors.2016102601

2016-10-26

陜西省教育廳自然科學(xué)專項基金(11JK1039)

TN823

A

1005-0388(2016)06-1099-08

劉陽洋 (1991-),女,陜西人,西北大學(xué)助理工程師,研究方向為超寬帶陣列天線.

任宇輝 (1980-),男,陜西人,西北大學(xué)講師,西北工業(yè)大學(xué)博士. 主要研究方向:電磁場與微波技術(shù),人工電磁材料設(shè)計及其應(yīng)用.

伍捍東 (1952-),男,江蘇人,研究員級高級工程師,西安恒達微波技術(shù)開發(fā)公司總工程師; 中國電子學(xué)會微波分會、天線分會委員; 海峽兩岸無線科技研討會顧委委員. 主要從事微波天線、微波元器件、微波測量等方面的研究.

高寶建 (1965-),男,陜西人,副教授,西北大學(xué)網(wǎng)絡(luò)與通信工程系主任,主要從事“微波技術(shù)與天線”及“通信信號處理”研究與教學(xué).

劉陽洋,任宇輝,伍捍東,等.一種超寬帶、大掃描角Vivaldi天線陣列[J].電波科學(xué)學(xué)報,2016,31(6):1099-1106.

LIU Y Y, REN Y H, WU H D,et al.An ultra-wideband vivaldi array with large scanning angle [J].Chinese journal of radio science,2016,31(6):1099-1106.(in Chinese).DOI:10.13443/j.cjors.2016102601

聯(lián)系人： 劉陽洋 E-mail：lyy_nwu@163.com

DOI 10.13443/j.cjors.2016102601