基于緊耦合結構的平面寬帶陣列天線設計

陶 靜，李祥祥

(中國船舶重工集團第七二三研究所，江蘇 揚州225101)

0 引 言

近年來，隨著軍用電子技術的快速發展，天線的設計開始向寬帶、小型化、低剖面等方向發展，因此應用于通信與雷達領域的傳統超寬帶天線設計面臨越來越多的挑戰。緊耦合陣列天線是近年來提出的一種新型超寬帶陣列天線，與常規陣列天線設計時盡可能降低天線單元間的耦合的思路不同，緊耦合陣列天線直接利用天線單元間的互耦效應以拓展天線的工作帶寬。

基于強互耦效應的緊耦合相控陣天線技術，其基本設計思想可追溯到Wheeler在1965年提出的連續電流層陣列(CCSA)，這是一種不包含饋電結構和反射地板的理想陣列天線，輸入阻抗和輻射阻抗均只含有電阻分量而不包含電抗分量，且只與波束指向有關[1]。Wheeler進一步發現距離地板一定高度的理想電流層在進行側向輻射時工作帶寬能夠達到無限大。2003 年Munk 教授發現緊密排列的偶極子陣列天線可取得與CCSA天線相似的電流分布，進而提出了利用強電容耦合偶極子的緊耦合陣列天線[2]。

目前，緊耦合陣列天線設計一般采用偶極子天線作為天線陣列單元，并在偶極子天線末端加載交指電容來增加陣元之間的耦合效應，同時在天線上方加載單層或多層介質板作為寬角匹配層以改善陣列的掃描特性。2012年Steve Holland基于緊耦合理論提出一款工作于7～21 GHz的平面雙極化陣列天線，該天線E 面、H面最大掃描角達45°，具有廣泛應用前景[3]。

本文基于緊耦合結構，設計了一款6～18 GHz的平面寬帶雙極化陣列天線。理論仿真結果表明，在工作頻帶內該無限大陣列天線具有良好的阻抗匹配，且E 面、H面掃描角度達45°。鑒于可實用性，進一步研究了9×9×2陣列天線，該有限大天線仿真結果基本與該無限大陣列天線吻合。相較于傳統寬帶相控陣天線，本天線具有低剖面、小型化的特點。

1 天線單元結構

圖1所示為天線單元的幾何模型。如圖1(b)所示，天線采用偶極子天線作為單元，單元尺寸大小約為1/2λh，水平極化振子臂、垂直極化振子臂位于不同平面上，振子臂尾端上下交疊，形成交指電容以增強單元間的耦合效應。天線單元的饋電形式較為簡單，從振子一臂直接饋電，另一臂則與地相連短接。為抑制不平衡饋電所帶來的共模激勵，振子兩臂均與地相連接，通過調節短接過孔的距離將共模諧振移除工作頻帶范圍。如圖1(c)所示，天線單元分為3層，Layer 1采用Rogers 5880LZ材料，作為介質匹配層可改善天線的掃描特性，其厚度約為1/4λh；Layer 2采 用Rogers 5880材 料，厚 度 為0.125 mm，偶極子天線水平極化、垂直極化部分分別印制于其上下兩面；Layer 3采用Rogers 5880LZ材料作為支撐層，其厚度約為1/4λh。

2 天線的仿真與結果分析

采用Ansoft/Ansys HFSS軟件，利用主從邊界構建無線大周期陣列，經過優化所得有源駐波如圖2所示，在6～18 GHz范圍內，該無限大陣列E 面、H面掃描角達45°時，有源駐波依舊小于3，具備良好的寬角匹配性能。圖3 為天線單元的輻射方向圖，在工作頻帶范圍內，單元增益如圖4所示，最大為3.9 dBi。

為驗證無限大邊界條件的仿真結果，建立有限大天線陣列模型進行對比，有限大陣列模型為9×9×2，如圖5所示。以水平極化為例，其中各端口無源駐波如圖6(a)所示?？梢娫?～18 GHz范圍內，各端口駐波VSWR＜2.5，保持良好的阻抗匹配特性。而由于邊界截斷效應，陣列邊緣單元駐波呈現嚴重不匹配狀態，在實際應用中可考慮在陣列邊緣增加虛元以減小邊界階段效應對天線陣列電性能的不良影響。

圖6(b)所示為E 面掃描時，掃描角從0°至45°時，中心單元有源駐波均在3以下，而在H面掃描角從0°至30°時均在3以下，隨著掃描角度增加到45°，在低頻段6～7 GHz時，中心單元有源駐波明顯增大，但依舊小于4。如圖6(d)所示，單元增益在-5.9～5 dBi之間波動，與無限大陣列仿真結果基本一致。

圖3 無線大陣列下單元方向圖

圖4 無限大陣列下單元增益

圖5 9×9×2陣列結構示意圖

圖7為不同頻率下天線陣列中心單元輻射方向圖。從圖中可以看到，H面方向圖對稱性較好，半功率波束寬度大概有120°，基本與周期邊界條件下吻合。然而如圖7(b)所示，天線陣列中心單元H面方向圖出現明顯畸變，與周期邊界條件下相比，方向圖起伏變大，存在明顯差異。這是由于陣列規模較小，水平極化右側邊緣單元的截斷效應所帶來的。如圖8所示為中心單元與相鄰端口的隔離度，在通帶范圍內隔離度＜-6 dB。

圖9為等幅饋電的情況下天線陣列的相位掃描方向圖，從圖9可以看出通帶范圍內天線指向性良好，滿足寬角掃描的特性。

圖6 9×9×2陣列水平極化駐波示意圖

圖7 9×9×2陣列水平極化中心單元輻射方向圖

圖8 9×9×2陣列饋電端口隔離度

3 結束語

本文基于緊耦合結構，設計了一種6～18 GHz的寬帶陣列天線，天線單元尺寸0.47λh×0.47λh，剖面高度0.54λh，具有低剖面特性，工作頻帶范圍內阻抗匹配良好，E 面、H面掃描角度達45°，具有良好的應用前景。

圖9 9×9×2陣列水平極化E面掃描方向圖

[2]MUNK B A.Frequency Selective Surfaces：Theory and Design[M].New York：John Wiley &Sons，2000：94-94.

[3]HOLLAND S S，SCHAUBERT D H，VOUVAKIS MARINOS N.A 7-21 GHz dual-polarized planar ultrawideband modular antenna (PUMA)array[J].IEEE Transactions on Antennas &Propagation，2012，60(10)：4589-4600.