差分電路的二元子陣對稱式Vivaldi天線陣列設(shè)計(jì)

廣東納睿雷達(dá)科技股份有限公司 敖少鵬 辛永豪 包曉軍 李 琳 劉遠(yuǎn)曦

在傳統(tǒng)Vivaldi天線的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)一種基于差分電路的二元子陣對稱式新型天線。天線由兩個(gè)對稱的傳統(tǒng)Vivaldi天線組成，但其相位設(shè)計(jì)上相差180°，使其輻射能同相疊加。該天線兼?zhèn)涑瑢拵c高增益，優(yōu)化了傳統(tǒng)Vivaldi天線在交叉極化上的性能，其對稱結(jié)構(gòu)也有助于降低天線的交叉極化。文獻(xiàn)最后設(shè)計(jì)優(yōu)化了一個(gè)1h12的寬帶高增益線性陣列，在增益高達(dá)18.7dBi的情況下，其帶寬達(dá)31.6%，且方向圖的交叉極化在-50dB以下。

在現(xiàn)代衛(wèi)星通信和雷達(dá)系統(tǒng)中，要求天線系統(tǒng)同時(shí)具備寬帶和雙極化特性，以提升信息傳輸容量、信號接收的質(zhì)量以及帶寬利用率。Vivaldi天線是一種非周期的行波天線，具有產(chǎn)生寬帶輻射的能力。這種錐形槽縫式天線（Tapered Slot Antenna,TSA）是Gibson于1979年提出，由一條微帶槽縫向外擴(kuò)張到某一寬度，并在該寬度上向外輻射信號。從理論上說，TSA的工作原理是因?yàn)橄拗圃诓劬€中的磁場能夠與槽的邊緣解耦，并隨著槽縫寬度的增加而輻射。與諧振天線相比，TSA最大的優(yōu)點(diǎn)是能夠在大帶寬上工作，并由于該結(jié)構(gòu)是開放式的，因此幾乎沒有輸出波的反射，沿邊緣的電流反射也很小。

Vivaldi天線起源于錐形槽縫式天線，保留有TSA超寬帶的性能，并兼?zhèn)涓咴鲆媲覍ΨQ的E面和H面的方向圖。近年來，國內(nèi)外很多學(xué)者對Vivaldi天線進(jìn)行了深入研究和各種改進(jìn)，如Logan J T將Vivaldi的輻射臂進(jìn)行水平切片以降低垂直與水平電流之比，從而有效地控制行波陣列中的輻射交叉極化水平；吳青龍等利用波紋開眼對拓型結(jié)構(gòu)對Vivaldi天線進(jìn)行改善，實(shí)現(xiàn)天線小型化；Xu H利用兩個(gè)正交的Vivaldi天線實(shí)現(xiàn)雙極化，其輻射臂引入條形波紋來獲得良好的阻抗匹配和輻射方向圖。

本文提出了一種基于差分電路的二元子陣對稱式新型Vivaldi天線單元，是由兩個(gè)基礎(chǔ)Vivaldi天線組成。其中，位于同一平面的兩個(gè)基礎(chǔ)單元在結(jié)構(gòu)上是鏡面對稱的，但兩者之間引入180°相差，使其輻射能同相疊加。該結(jié)構(gòu)下的Vivaldi天線能實(shí)現(xiàn)高增益與大寬帶兼?zhèn)洌移鋵ΨQ結(jié)構(gòu)有助于降低交叉極化，具有較好的工程實(shí)踐意義。

1 天線設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)Vivaldi天線采用微帶線耦合槽縫進(jìn)行饋電，并使得信號沿指數(shù)開口由窄端向?qū)挾藗鬏?，最終向自由空間輻射。當(dāng)槽線兩側(cè)的間距與自由空間波長相比非常小時(shí)，行波中的能量與導(dǎo)體緊密結(jié)合，然而隨著間距的增加，行波中的能量逐漸變?nèi)醪⑴c輻射場耦合。同時(shí)，這也是Vivaldi天線能實(shí)現(xiàn)超寬帶的本質(zhì)所在，以指數(shù)形式拓寬槽線實(shí)現(xiàn)各個(gè)頻率信號的輻射，其槽線的窄端對應(yīng)天線的最高頻率，寬端對應(yīng)最低頻率。

如圖1所示，為仿真設(shè)計(jì)的傳統(tǒng)Vivaldi天線，其饋點(diǎn)為帶狀線和指數(shù)開口的喇叭狀槽縫末端的垂直交叉處，信號沿著喇叭狀槽縫傳輸并最終向外輻射。該指數(shù)喇叭狀輪廓由開口率a和兩點(diǎn)的坐標(biāo)與有關(guān)：

圖1 傳統(tǒng)Vivaldi天線的仿真設(shè)計(jì)

其中：

從仿真設(shè)計(jì)結(jié)果來看，傳統(tǒng)Vivaldi天線要想獲得大帶寬則其增益偏低，要想增益高則帶寬較小。而且傳統(tǒng)Vivaldi天線的交叉極化不高，約在-20～-30dB的范圍之間。

但對單脈沖雷達(dá)來說，交叉極化影響著雷達(dá)測角的性能。交叉極化的增加會(huì)引起方位/俯仰的失調(diào)角增大，造成目標(biāo)的丟失。此外，在抗干擾方面交叉極化也有著不可忽視的影響，因此研究單脈沖雷達(dá)下的相控陣的交叉極化特性對高性能雷達(dá)有著重要意義。

為此，我們研究設(shè)計(jì)了一種兼?zhèn)涓咴鲆媾c大帶寬的新型Vivaldi天線，同時(shí)優(yōu)化了其交叉極化。如圖2所示，該新型天線是基于差分電路的二元對稱式模型，由兩個(gè)對稱的傳統(tǒng)Vivaldi天線組成，但其相位設(shè)計(jì)上相差180°，使其輻射能同相疊加。天線的仿真結(jié)果如圖3～4所示，回波損耗在滿足-10dB以下的帶寬為8.9～11.9GHz，相對帶寬達(dá)31.9%。其增益可達(dá)8.03dB，且交叉極化低于-30dB。其主要仿真參數(shù)如表1所示。

表1 天線單元主要參數(shù)（單位：mm）

圖2 基于差分電路的二元子陣對稱式Vivaldi天線

圖3 二元對稱式Vildi天線的S11參數(shù)

圖4 二元對稱式Vivaldi天線的增益

其中，Lta是帶狀線與槽線的轉(zhuǎn)換中心到指數(shù)開口下端的距離；Ltc是轉(zhuǎn)換中心到圓形背腔上端的距離；Dsl是圓形背腔的直徑；Lg是圓形背腔底端到天線下邊界的距離；a是指數(shù)開口的曲率；b是整個(gè)天線的寬度；d是整個(gè)天線的高度；t是介質(zhì)基板的厚度。

2 陣列設(shè)計(jì)

一般而言，諸如相控陣?yán)走_(dá)這等大型陣列的設(shè)計(jì)，會(huì)以小陣列進(jìn)行模擬并對天線陣元進(jìn)行優(yōu)化微調(diào)。小陣列的分析主要包括陣元的互耦對中心單元的影響以及有源反射系數(shù)的特性。而互耦效應(yīng)與陣元之間的距離有關(guān)，因此陣列邊緣的單元對中心單元的影響較小。所以，小型陣列的設(shè)計(jì)可以以中心陣元距離陣列邊緣2～3個(gè)波長的尺寸為準(zhǔn)，即可模擬大型陣列天線的性能特性。

本文利用主從邊界對上文設(shè)計(jì)的二元對稱式Vivaldi天線進(jìn)行設(shè)計(jì)了一個(gè)無限大的陣列單元，這種模擬方式包含了陣列的互耦效應(yīng)以及陣列環(huán)境下單元的輻射特性，從而方便陣元的優(yōu)化微調(diào)。最后，將優(yōu)化好的單元天線進(jìn)行1h12的線性陣列排布，其仿真后的結(jié)果如圖5～6所示。從仿真結(jié)果來看，以中心頻率9.4GHz的陣列帶寬達(dá)31.6%，陣列增益高達(dá)18.7dBi，且交叉極化在-50dB以下。

圖5 二元子陣對稱式Vivaldi天線陣列的S11參數(shù)

圖6 二元子陣對稱式Vivaldi天線陣列的增益

3 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種基于差分電路的二元子陣對稱式Vivaldi天線，兼?zhèn)浯髮拵c高增益的同時(shí)具備超低的交叉極化。從仿真結(jié)果來看，陣列具有超寬的帶寬特性，其相對帶寬達(dá)到31.6%，增益高達(dá)18.7dBi的同時(shí)具備-50dB以下的交叉極化。以該新型天線設(shè)計(jì)的小型線陣驗(yàn)證了其在大型陣列運(yùn)用的可能，對相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究具有較好的指導(dǎo)意義。