寬帶寬角掃描雙極化陣列天線設計*

官 偉，秦 浩，張小林

(華東電子工程研究所，合肥 230088)

1 引言

現代電子對抗、寬帶通信等領域對作為射頻前端的天線要求越來越高，寬頻帶適應頻域寬開的要求，寬角掃描則能夠帶來更大的空域覆蓋范圍，多極化使得系統克服了極化失配帶來的增益損失。本文設計一種寬帶寬角掃描雙極化vivaldi 陣列天線，在其工作頻帶1～6 GHz 內，掃描角度達到±60°，天線單元陣中駐波小于1.5，能夠很好地適應上述要求。

2 寬帶寬角掃描天線單元設計

微帶天線以其體積小、重量輕、低剖面、能與載體共形等特點得到廣泛應用。對于微帶天線來說，寬頻帶和小型化是其發展方向［1］。作為一種寬頻帶、高增益的行波縫隙天線，vivaldi 天線適合作該陣列天線的基礎單元。所以，考慮采用微帶形式設計該vivaldi 天線單元［2-4］，其基本原理是:通過微帶傳輸線把能量耦合到天線貼片上并輻射，其逐漸變寬形成喇叭口形狀的縫隙結構是輻射或接收能量的主體，其中不同的工作頻點對應相應的λ/2的縫隙寬度(λ為該頻點的波長），如圖1所示。

該天線的結構比較簡單，由兩層微帶板粘合而成，其中最頂層、中間層和最底層為金屬，如圖2所示。最頂層和最底層金屬結構是相同的，均為槽線(如圖1 實線所示）的縫隙結構。槽線由3 部分構成，第1 部分是圓形槽線，對微帶傳輸起到阻抗匹配作用；第2 部分是矩形槽線，和微帶傳輸線起到相互耦合傳輸電磁波的作用；第3 部分是漸變槽線，對天線所輻射的電磁波起到引向作用。中間層是饋電的微帶線(虛線所示），微帶線的終端為扇形結構，主要起到終端負載匹配作用，微帶線通過該介質板向槽線耦合饋電。為了改善天線的接地效果，在槽線周圍布滿了金屬化孔，這些金屬化孔對增加天線的帶寬也起到了很大的作用［5］。

圖1 vivaldi 寬頻帶天線結構圖

圖2 vivaldi 寬頻帶天線俯視圖

根據微帶傳輸線及槽線理論，結合具體的設計要求，本文采用Gibson 提出的vivaldi 天線指數模型公式，即

設計了表達式為

的vivaldi 天線，采用相對介電常數為2.94的介質板，天線單元尺寸為100 mm×30 mm×3.102 mm。

在設計了陣列天線的各項基本參數后，借助高頻仿真軟件HFSS11 對陣列天線進行了仿真分析，通過進一步優化，得到了較為滿意的仿真結果。圖3為其仿真模型。圖4為單元波瓣仿真結果。仿真結果表明，該單元適合寬帶寬角掃描陣列天線組陣。

圖3 陣列天線仿真模型

圖4 單元波瓣仿真圖

3 寬帶寬角掃描陣列天線設計

為了保證陣列天線具有±60°的掃描能力而不出現柵瓣，輻射元的方位向間距dx須滿足［6］

其中，λ為天線的最小工作波長，sinθmax為天線偏離陣面法向的最大掃描角，△為輻射單元數目的倒數。圖5為單元矩形柵格排列示意圖。

按照天線兩個面波束要求，組成9 列×8 行的一個矩形陣。由上述確定的矩形柵格尺寸可知整個天線陣面的尺寸為:L=9×30=270 mm；W=8×30=240 mm。天線陣列仿真模型見圖6。按照圖6的仿真優化結果，加工的寬帶寬角掃描陣列天線實物照片如圖7所示。

圖5 單元矩形柵格排列示意圖

圖6 寬度寬角掃描陣列天線仿真模型

圖7 寬度寬角掃描陣列天線實物照片

4 陣列天線測試結果

采用矢量網絡分析儀Agilent8719ES 對該陣列天線陣中駐波進行了測試，測試結果如圖8所示。將寬帶寬角掃描陣列天線與寬帶波束形成網絡進行組合，在室內遠場對該陣列天線波瓣進行了測試，表1為陣列天線波瓣測試結果，典型的波瓣圖如圖9所示。實測結果表明，陣中單元的駐波小于1.5，掃描角度達到了±60°，兩個極化的波瓣圖在整個頻帶內一致性較好，滿足設計要求。

圖8 陣中單元實測駐波曲線

圖9 陣列天線典型波瓣圖

表1 陣列天線波瓣測試結果

5 結束語

本文設計了一種寬帶寬角掃描雙極化陣列天線，工作于1～6 GHz。通過對系統的仿真分析，設計出的天線掃描角度達到±60°，天線駐波小于1.5。由天線遠場輻射方向圖實測結果可以看出，此陣列天線在整個頻帶內一致性很好，兩個極化均達到了設計要求，在電子戰、寬帶通信等領域具有很好的應用價值。

［1］鐘順時.微帶天線理論與應用［M］.西安:西安電子科技大學出版社，1991.

［2］劉密歌.Vivaldi 寬頻帶微帶天線的設計與仿真［J］.現代電子技術，2007，23(2）:95-96.

［3］Sze Jiayi，Wong Kinlu.Bandwidth Enhancement of a Microstrip-line-fed Printed Wide-slot Antenna［J］.IEEE Trans.on AP，2001 (7）:1020-1023.

［4］徐志，劉其中.改進型vivaldi 天線［J］.電波科學學報，2008，23(3）:471-475.

［5］H Holter，T H Chio and D H Schaubert.Experimental result s of 144-element dual-polarized endfire taperedslot phased arrays［J］.IEEE Trans.on Antennas and Propagation，2000，48 (11）:1707-1718.

［6］林昌祿.天線工程手冊［M］.北京:電子工業出版社，2002.