高倍頻程超寬帶陣列天線設計綜述

符敏

摘 要 本文對高倍頻超寬帶陣列天線的特點和應用背景進行了概述，對國內外超寬帶天線研究現(xiàn)狀進行了調研。并以2GHz～12GHz超寬帶天線設計為例，探討了超寬帶天線需要重點攻關的技術難點，并針對后端鏈路設計中的注意事項提出了工程化建議。

關鍵詞 超寬帶 相控陣 天線

中圖分類號： TN822 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2016）05（C）-00

1.1引言

寬帶或超寬帶、高穩(wěn)定天線對提高現(xiàn)代雷達的性能以及研制新一代高性能雷達具有非常重要的意義。它不僅能夠增強雷達的抗干擾能力、雜波抑制能力和抗無線電輻射制導導彈、無人機及其他武器平臺的攻擊能力，且由于其相對帶寬較寬，可獲得更高的距離分辨率，實現(xiàn)多目標分辨和更高的測距精度，在雷達的一二維成像、目標分類識別和低仰角跟蹤等方面都有重要作用。寬帶相控陣雷達是當前相控陣雷達技術發(fā)展的一個重要方向，具有廣泛的應用前景。

寬帶或超寬帶天線作為電磁能量發(fā)射和接收的窗口，對寬帶相控陣雷達性能、研制成本等來說至關重要。在星載、球載、機載和艦載等平臺上，通常配備有不同頻段的天線用于實現(xiàn)通信、導航及電子偵察等功能，采用多功能寬帶或超寬帶陣列可以實現(xiàn)天線復用，大大減少天線數(shù)量、重量及其所占空間，對合理安排天線布局，有效降低不同頻段天線間的互擾具有重要的意義。

本文對超寬帶天線分類和國內外研究現(xiàn)狀進行了調研，并針對2GHz～12GHz超寬帶天線設計，提出需要重點攻關的技術難點，給出此種天線的后端設計方案。

1.2超寬帶天線分類及國內外研究現(xiàn)狀

超寬帶天線種類很多，早期寬帶天線是由傳統(tǒng)的窄帶天線通過變形、加載等方式演變成而來，例如由偶極子天線演變的雙錐天線、三角形偶極子天線，由單極天線演變來的盤錐天線、套筒天線等，以及由喇叭天線演變的寬帶TEM喇叭天線、加脊喇叭天線、波紋喇叭天線等。后來出現(xiàn)了一些非頻變天線，天線單元是周期性的自相似結構，使得天線帶寬可以達到很寬，典型的就是各種螺旋天線和對數(shù)周期天線。超寬帶天線中另外一個大的系列是漸變槽線天線，不同的槽線寬度對應不同的頻點決定了它的超寬帶特性，根據槽線的形狀有指數(shù)型，三角型，拋物線型，直線型和階梯型等，還有對踵型以及兔耳型的。

寬帶天線組陣時，為了避免出現(xiàn)柵瓣，要求單元間距不超過最高頻率對應的半個波長（或略大于半個波長），此時天線間的距離對于低頻段的電長度來說很小，使得天線間的互耦很強，因此寬帶陣列并不是簡單的將寬帶天線單元直接排列分布就可以了，需要綜合優(yōu)化。雖然超寬帶天線的種類很多，鑒于尺寸、互耦、饋電等方面的考慮，適合進行組陣的單元并不多，一般常用的有寬帶偶極子天線、對數(shù)周期天線、圓錐螺旋天線和漸變槽線天線等。

隨著天線技術的發(fā)展，國外在超寬帶陣列方面做了大量的理論研究和實驗，設計了很多有價值的超寬帶陣列，如圖1（a）-（d）所示。哈里斯公司（Harris Corporation）利用電容耦合的偶極子實現(xiàn)了單極化和雙極化的超寬帶電流片陣列（Current Sheet Array， CSA），工作頻帶接近10：1。馬薩諸塞州大學針對超寬帶韋瓦爾第（Vivaldi）陣列開展了廣泛的研究，并設計出了帶寬超過10：1的Vivaldi陣列。此外，喬治亞技術研究中心（Georgia Tech Research Institute，GTRI）優(yōu)化設計了一種具有不規(guī)則分形結構的碎片孔徑陣列（Fragmented Aperture），實測帶寬可達到33：1，且有望達到100：1。美國雷神（Raytheon）公司也研制了多種超寬帶陣列用于機載相控陣雷達，Lee 等人提出了一種可以嵌在金屬載體內部、具有低剖面特性的連續(xù)長槽寬帶陣列天線并研制了樣機，在200～2000MHz的頻段時陣列的厚度僅有8cm，大約是最低工作頻率對應波長的5%左右，重量也控制得較好。

2005年，美國海軍研究實驗室（Navy Research Laboratory，NRL）提出了一種超寬帶陣列結構的概念，可大大減少超寬帶陣列的陣元數(shù)量。如圖9所示，這種結構的中心是由常規(guī)寬帶陣元組成的一個均勻平面方陣，在與其共中心的方環(huán)上放置一定數(shù)量的陣元，從內向外，方環(huán)的間距逐漸增大，方環(huán)上的陣元也逐漸增大（工作在更低的頻率），通過在不同頻段激勵不同的陣元來實現(xiàn)超寬帶陣列的頻率覆蓋。由于所需陣元種類較多和互耦連續(xù)性等問題，這一概念并不切合實際。隨后，NRL提出了波長比例縮放陣列（Wavelength-Scaled Array， WSA），可以用較少的陣元組建一個單獨的超寬帶陣列，實現(xiàn)8：1的帶寬，所需的陣元數(shù)為常規(guī)超寬帶陣列的16%，饋電網絡也相應減少。NRL分別研究了由單極化（2.5-20GHz）和雙極化（6-48GHz）漸變開槽（Taper Slot Antenna， TSA）單元構成的超寬帶二維陣列，并制作了樣件（圖3），驗證了WSA可實現(xiàn)和傳統(tǒng)超寬帶陣列相近的性能。由于TSA陣元的極化純度不高，目前NRL正在著手研制適合于WSA的具有更高極化純度的超寬帶陣列天線。

國內的學者和科研單位對寬帶天線及陣列也開展了廣泛的研究，工作主要集中在超寬帶天線陣元和陣列優(yōu)化等方面。研制了眾多的傳統(tǒng)超寬帶天線，如對數(shù)周期天線、倒錐天線、圓錐或平面螺旋天線、漸變開槽天線等及其組成的超寬帶陣列，西安電子科技大學、電子科技大學、北京理工、南京理工和東南大學等高校以及中國電子科技集團、航天科技集團和中船重工集團等下屬研究所在寬帶天線和組陣的研究方面都取得了很多有價值的成果。電子科技大學對利用互耦機理的超寬帶陣列如交指型偶極子陣列開展了研究，并進行了樣件測試（見圖4）。西安電子科技大學微波技術與天線國家重點實驗室在超寬帶天線分析與設計、超寬帶非均勻陣列的優(yōu)化設計方面作了大量有意義的工作（見圖5）。

1.3超寬帶天線技術難點及后端鏈路設計

超寬帶天線在具體工程實現(xiàn)上會面臨駐波和效率等方面的技術難點。下面以2GHz～12GHz超寬帶天線為例，論述超寬帶天線的技術難點。根據前期在超寬帶天線技術方面的研究，針對所需2GHz～12GHz天線，考慮選擇vivaldi天線形式作為相控陣天線的輻射單元。考慮到天線輻射器帶寬、有源通道的設計等多方面的原因，通常天線輻射單元的工作頻段基本選擇為3：1的工作帶寬，而2GHz～12GHz工作帶寬達到6：1，對天線設計帶來的難度主要表現(xiàn)在天線輻射單元的間距設置上。天線輻射單元間距設置需要按照天線工作的高頻考慮，由此會造成天線單元的間距相對于工作頻率中的低頻段來說非常小，從而導致單元間的互耦非常大，會引起天線輻射單元低頻段的駐波較大，效率低等缺點。由于天線陣面的效率有嚴格的要求，因此對于具有6：1倍頻程的超寬帶天線來說，在工程設計上希望天線帶內有源駐波小于2.5，這就對超寬帶天線設計提出了很高的要求。前期研究表明，解決帶內駐波影響的途徑主要是采取天線參數(shù)優(yōu)化及去耦結構設計來實現(xiàn)高性能的超寬帶天線輻射單元，以滿足特定功能使用。

在工程實現(xiàn)上，超寬帶天線與傳統(tǒng)寬帶天線的后端鏈路相比也存在不同之處?？紤]射頻鏈路中移相器的設計難度，需要將超寬的頻段劃分為兩段。仍以2GHz～12GHz超寬帶天線為例，其鏈路的射頻接收前端可選擇如下方案：

其具體頻段劃分可根據芯片設計水平確定，發(fā)射天線逆之。為保證系統(tǒng)的整體指標，超寬帶天線的變頻通道等也需分高低頻段分別進行通道均衡，根據功能需要進行開關切換。其本振通道也可考慮一本振共用，采用開關方式進行切換。

由于系統(tǒng)整體帶寬比較寬，天線的效率和有源鏈路中高頻部分的噪聲系數(shù)很難達到傳統(tǒng)天線的水平，在實際工程應用中系統(tǒng)應考慮留一定的設計余量。

1.4 結論

超寬帶天線以其低廉的成本、有限的資源需求和靈活的應用方式獲得很多機載、星載雷達使用者的青睞，本文分析了其特點并對國內外研究現(xiàn)狀進行了調研，同時以2GHz～12GHz超寬帶天線設計為例，探討了超寬帶天線所面臨的技術難點和解決方案，并針對后端鏈路設計中的注意事項提出了工程化建議。

參考文獻

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