一種基于微帶線-帶狀線巴倫饋電的Vivaldi天線設(shè)計

劉 曉，叢惠平，何紅英，付博實

(1.中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081；2.中國人民解放軍91033部隊，山東 青島 266071；3.中國人民解放軍32703部隊，河北 石家莊 050081；4.中國人民解放軍32036部隊，重慶 400054)

0 引言

為適應(yīng)新形勢下戰(zhàn)場環(huán)境的干擾防護(hù)以及民用領(lǐng)域的環(huán)境監(jiān)測等需求，無線電測向的應(yīng)用日益廣泛[1]，同時隨著電磁環(huán)境日益復(fù)雜，需要監(jiān)測的信號頻帶越來越寬，對測向天線單元寬帶性能的需求日益迫切[2]。為了應(yīng)對上述需求，提出了利用Vivaldi天線作為寬帶測向天線單元[3]。

Vivaldi天線是一種漸變槽線結(jié)構(gòu)的天線形式[4]，該天線設(shè)計靈活，通過改進(jìn)設(shè)計，可實現(xiàn)雙極化、與載體共形及可重構(gòu)等性能，因此Vivaldi天線是一種非常適合于工程應(yīng)用的天線[5]。在測向系統(tǒng)中相較于其他天線形式，Vivaldi天線具有天然的優(yōu)勢，具體表現(xiàn)在該天線本身就是寬帶天線[6]；采用印制板形式具備重量輕、一致性好等優(yōu)點(diǎn)[7]；對于不同頻率，天線工作部分不同，天然適應(yīng)不同頻率對測向基線的要求，既可避免對于高頻基線太長造成測向模糊，又可以避免低頻段基線太短，測向精度不高的問題[8]。

在Vivaldi天線的設(shè)計過程中，饋電結(jié)構(gòu)是重要的一環(huán)[9]，其作用是實現(xiàn)饋電同軸線不平衡部分到平衡輻射體的轉(zhuǎn)換及阻抗匹配，進(jìn)而完成高效率的能量傳遞[10]。本文設(shè)計優(yōu)化了一款微帶線到帶狀線到雙面槽線的巴倫結(jié)構(gòu)[11]，并進(jìn)一步完成了整個天線的仿真優(yōu)化，最后通過采用2塊介質(zhì)板裝配的形式制作了天線實物，對實物進(jìn)行了測試，實測結(jié)果與仿真結(jié)果具有很好的吻合性，結(jié)果表明該種結(jié)構(gòu)形式及裝配工藝在兼顧簡單易行的基礎(chǔ)上，同時具備有效的設(shè)計性。

1 微帶線-帶狀線-雙面槽線轉(zhuǎn)換巴倫的 設(shè)計仿真

本文采用的巴倫形式為微帶線-帶狀線-雙面槽線的雙層介質(zhì)基板印刷巴倫，如圖1所示，先行設(shè)計了一款背靠背形式的轉(zhuǎn)換器[12]。微帶線便于與同軸電纜連接，微帶線將能量傳遞給帶狀線，小間距下帶狀線的線間互耦遠(yuǎn)小于微帶線[13]，這在天線間距很小的情況下尤為重要，帶狀線則通過末端的扇形枝節(jié)將能量耦合給槽線，在Vivaldi天線中槽線則直接與對稱結(jié)構(gòu)的輻射體連接，形成有效的輻射[14]。本文中介質(zhì)基板選用常用的FR4，單片厚度為1.4 mm。

圖1 背靠背轉(zhuǎn)換器示意Fig.1 Schematic diagram of back to back converter

背靠背轉(zhuǎn)換器由2塊介質(zhì)板構(gòu)成，其中頂層介質(zhì)板通過切割凹槽與對應(yīng)底層介質(zhì)板形成微帶結(jié)構(gòu)，微帶線寬度為a，長度為l1。帶狀線由2段不同寬度的帶線組成，寬度分別是b、c，長度分別是l2、l3。扇形枝節(jié)半徑為r，角度為ang，槽線的圓形開路終端直徑為D。

通過優(yōu)化仿真，最終確定的參數(shù)值為：a=2 mm，l1=5 mm，b=1.1 mm，l2=10 mm，c=0.8 mm，l3=6 mm，r=5 mm，D=9 mm，ang=100°。仿真得到巴倫端口的VSWR及傳輸系數(shù)如圖2所示。從圖中可以看出，該轉(zhuǎn)換器在1～11 GHz絕大部分范圍內(nèi)駐波比小于2∶1，在1～7 GHz頻段的插入損耗在0.6～2.5 dB之間，但隨著頻率的進(jìn)一步升高插入損耗開始急劇變大。這主要是FR4損耗角正切較大，在高頻段造成介質(zhì)損耗急劇上升同時輻射損耗變大的結(jié)果。

圖2 轉(zhuǎn)換器仿真結(jié)果Fig.2 Simulation results of converter

2 天線仿真設(shè)計及測試

在上一節(jié)微帶線-帶狀線-雙面槽線饋電巴倫仿真優(yōu)化的基礎(chǔ)上，加入Vivaldi天線輻射部分形成對稱結(jié)構(gòu)的天線整體[15]，同時為了更接近實際使用模型，在微帶線饋電口加入同軸連接器以模擬實際接頭。天線仿真模型如圖3所示，天線外形尺寸為150 mm×75 mm×2.8 mm，其中天線輻射器邊緣采用指數(shù)函數(shù)曲線，其方程為：

x=C1eC2y+C3，

式中，C1，C2，C3為常數(shù)，用來控制指數(shù)曲線的形狀和尺寸。對上述Vivaldi天線進(jìn)行優(yōu)化仿真，得到天線駐波比曲線如圖4所示?？梢钥闯?，在2～8 GHz范圍內(nèi)天線駐波比小于3∶1。

圖3 天線仿真模型Fig.3 Simulation model of antenna

圖4 駐波比仿真曲線Fig.4 Simulation curve of SWR

對于傳統(tǒng)測向陣，主要關(guān)注天線方位面方向圖，按圖7天線姿態(tài)來說即天線的H面。故本文主要考量該天線在此面的方向圖，圖5給出了天線在頻率為2，4，6，8 GHz時H面上的仿真方向圖。

圖5 仿真方向圖Fig.5 Simulation direction map

根據(jù)設(shè)計的Vivaldi天線結(jié)構(gòu)和尺寸，加工了天線原理樣機(jī)，在分析了天線上電流分布的基礎(chǔ)上[16]，盡量避免影響電流分布對天線體進(jìn)行了開孔以便裝配，實物如圖6所示。在微波暗室內(nèi)對天線性能進(jìn)行了詳細(xì)測試，測試場景如圖7所示。

圖6 天線實物Fig.6 Real antenna

圖7 測試場景Fig.7 Testing scenario

天線在輸入端口處的駐波比曲線如圖8所示。測試結(jié)果表明，在2～8 GHz范圍內(nèi)，加工的Vivaldi天線的駐波比小于3∶1，雖然比仿真結(jié)果稍有惡化，但從包絡(luò)形狀看與仿真結(jié)果還是很相近的。對于測向陣作為接收天線來說該駐波比指標(biāo)是可以滿足絕大多數(shù)場景需求的。之所以產(chǎn)生惡化主要是由于接頭焊接、裝配不當(dāng)造成的。

圖8 實測駐波比曲線Fig.8 Measured curve of SWR

圖9給出了天線在2，4，6，8 GHz時實測方向圖與仿真方向圖的對比。同時，表1給出了該天線實測數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)的詳細(xì)對比情況。由圖9和表1可以看出，實測方向圖與仿真方向圖具有很好的吻合性，尤其是在主瓣范圍內(nèi)，方向圖幾乎一致，表明該款天線具有很好的設(shè)計有效性。

圖9 實測方向圖與仿真方向圖對比Fig.9 Comparison of measured directions and simulation patterns

表1 波束寬度及增益對比Tab.1 Comparison of Beamwidth and Gain

從表1的數(shù)據(jù)可以看出，對于傳統(tǒng)9陣元測向陣，本文設(shè)計的Vivaldi天線在2～7 GHz可以覆蓋全方位面，完成測向功能，若想擴(kuò)充頻段可考慮增加陣元個數(shù)。

3 結(jié)束語

測向天線陣在日益復(fù)雜的電磁環(huán)境中應(yīng)用日益廣泛，特別是對寬帶測向陣的需求日益迫切。本文以Vivaldi天線作為測向天線單元作為研究對象，引入了一種微帶線到帶狀線再到槽線的巴倫結(jié)構(gòu)對天線輻射部分進(jìn)行饋電[17-18]。在兼顧減小饋線間耦合的情況下，方便與射頻接頭連接。采用全波電磁仿真技術(shù)對饋電巴倫及整個天線進(jìn)行了設(shè)計優(yōu)化，在2～8 GHz頻段范圍內(nèi)獲得了良好的阻抗匹配和輻射特性。根據(jù)設(shè)計的天線結(jié)構(gòu)，進(jìn)行了天線實物的加工測試，給出了具體的測試結(jié)果，并與仿真結(jié)果進(jìn)行了對比，結(jié)果表明本文的設(shè)計方案切實可行?；谖Ь€-帶狀線巴倫饋電的Vivaldi天線具有結(jié)構(gòu)簡單，成本低、加工方便和頻帶寬易于安裝等優(yōu)點(diǎn)，可作為測向天線單元的可選方案。