一種超寬帶寬角掃描Vivaldi連接陣設(shè)計(jì)

李桂紅 王 珂 吳 帥 洪 瑋 習(xí) 磊

(中國電子科技集團(tuán)公司第三十九研究所 西安 710065)

0 引言

現(xiàn)代通信領(lǐng)域?qū)ι漕l前端天線的要求日益增高，超寬帶寬角掃描陣列天線研究成為天線設(shè)計(jì)的一個(gè)發(fā)展趨勢。印刷天線具有重量輕、體積小、易加工、便于集成、尺寸一致性好、加工精度易于控制等優(yōu)點(diǎn)，得到了廣泛的應(yīng)用。傳統(tǒng)的印刷天線帶寬較窄，本文設(shè)計(jì)的介質(zhì)帶線Vivaldi天線，具有工作頻帶寬、輻射定向性好、結(jié)構(gòu)簡單、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)[1]。

傳統(tǒng)的寬帶相控陣，由于波束柵瓣的限制，工作帶寬很難進(jìn)一步擴(kuò)展，連接陣技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生[2]。連接陣可以利用陣元間的互耦，改善低頻有源駐波，實(shí)現(xiàn)相控陣天線的超寬帶功能。

本設(shè)計(jì)中，通過連接陣技術(shù)，天線工作帶寬可以達(dá)到六倍頻程。另外，利用Floquet無窮周期邊界理論[3]，采用方形柵格型式，采取適當(dāng)?shù)年嚵虚g距，完成了天線低柵瓣設(shè)計(jì)。利用隔離墻技術(shù)，解決了陣列的有源駐波諧振問題，有效消除掃描盲點(diǎn)。通過陣列單元尺寸的合理設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了±50°的空域覆蓋，并解決了掃描狀態(tài)下的波束損耗問題。最后，對(duì)超寬帶寬空域陣列進(jìn)行仿真和實(shí)測，兩者性能符合良好，滿足設(shè)計(jì)預(yù)期。

1 連接陣陣列原理

常規(guī)的陣列天線需要抑制單元間的互耦，提高陣列性能。與傳統(tǒng)寬帶相控陣相比，連接陣設(shè)計(jì)原理有所不同，連接陣充分利用天線單元之間的電磁耦合，來展寬天線的工作帶寬。

連接陣天線屬于緊耦合陣天線的一種，緊耦合天線的設(shè)計(jì)思想來自Wheeler[4]等人提出的無限大連續(xù)電流片理論。Munk基于該理論，將多個(gè)短偶極子依次相互連接并留有縫隙，近似得到理想電流片陣列，形成了緊耦合陣列的雛形[5]。隨后，Hansen教授利用矩量法計(jì)算了相互連接的偶極子陣列的電流分布[6]，并證明了當(dāng)陣列尺寸遠(yuǎn)小于一個(gè)λ時(shí)，可以得到連續(xù)均勻電流分布，大大延長了單個(gè)陣元的尺寸，在較低的頻段獲得改善的阻抗匹配。

連接陣是基于無限大連續(xù)電流片理論設(shè)計(jì)的，相鄰陣列單元的輻射部分相互連接，電流在相鄰單元上呈連續(xù)均勻分布，單元之間的場可以在相鄰單元之間傳播，降低截止頻率。連接陣要求單元間距必須遠(yuǎn)小于低頻的一個(gè)波長，相鄰單元電流趨于恒定、且相位平滑漸變，這時(shí)陣元的阻抗特性隨頻率變化特性會(huì)趨于緩和，不再僅僅是單元的諧振頻率，通過一定的匹配手段后就可以得到較寬的阻抗帶寬。

2 Vivaldi天線單元設(shè)計(jì)

相控陣設(shè)計(jì)中，由于陣列單元滿足Floquet周期邊界，單元具有空間平移對(duì)稱性，因此可以通過分析其中一個(gè)周期單元內(nèi)的場，運(yùn)用疊加原理得到無限大陣列的場特性，大大降低了計(jì)算的工作量。

天線單元采用漸變槽縫Vivaldi天線形式，天線設(shè)計(jì)考慮了饋電的合理性、連接陣的適應(yīng)性、寬帶有源匹配的可實(shí)現(xiàn)性、輻射的充分性、掃描盲點(diǎn)的抑制，合理設(shè)置天線長寬比、饋電措施、漸開線曲線，得到適用于寬帶寬角掃描連接陣的單元模型。通過優(yōu)化，最終確定的天線結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 Vivaldi天線單元結(jié)構(gòu)示意圖

本設(shè)計(jì)中單元由介質(zhì)帶線結(jié)構(gòu)組成，兩側(cè)為漸開槽線接地結(jié)構(gòu)，中間層饋電線實(shí)現(xiàn)饋電，由兩層厚度為1 mm、介電常數(shù)為3的介質(zhì)覆銅板壓制而成。天線單元采用細(xì)長型Vivaldi天線形式，陣間距為0.52λH，陣列高度為0.75λL，其中λH和λL分別對(duì)應(yīng)高頻和低頻工作頻點(diǎn)的波長。

漸變槽縫作為天線單元的輻射部分，可以近似看作一個(gè)阻抗變換段，通過漸變的槽線形成行波結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)寬頻段內(nèi)輸入阻抗與自由空間阻抗的匹配。漸變槽縫曲線采用三階樣條曲線，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的指數(shù)變換曲線，更好地實(shí)現(xiàn)掃描狀態(tài)的有源駐波。通過優(yōu)化，漸變槽縫開口寬度由0.024λH變換到0.057λL，槽縫高度0.4λL，槽縫邊緣通過金屬化過孔實(shí)現(xiàn)隔離墻，抑制工作頻帶內(nèi)的諧振現(xiàn)象。

階梯阻抗變換器與同軸連接器連接，再通過扇形巴倫結(jié)構(gòu)進(jìn)行耦合饋電。漸開槽線末端的圓形結(jié)構(gòu)可以看作開路結(jié)構(gòu)，形成開路耦合饋電結(jié)構(gòu)，開路孔徑設(shè)置為0.033λL。通過以上措施，實(shí)現(xiàn)天線單元的寬帶有源阻抗匹配。

通過Ansys HFSS商業(yè)軟件中的無窮周期結(jié)構(gòu)模型仿真，得到了單元在0°、30°和50°掃描角處的有源駐波，仿真結(jié)果如圖2所示。為簡便起見，只觀察天線在水平掃描狀態(tài)下的性能。由圖可知，無窮周期單元的有源駐波隨掃描角度的增加而逐漸變差，這是由于掃描角度增加導(dǎo)致天線輻射電阻發(fā)生變化引起的，后期可以通過陣元表面加載介質(zhì)解決。

圖2 天線單元有源駐波仿真曲線

圖3給出了單元在0°和50°掃描角處的有源方向圖仿真結(jié)果。

由圖可知，掃描狀態(tài)下的單元有源方向圖偏向?qū)嶋H掃描角。眾所周知，天線的波束掃描損耗是考量天線陣元設(shè)計(jì)的一個(gè)基本指標(biāo)。一般的，大角度掃描時(shí)的陣列波束損耗較大。本設(shè)計(jì)中的連接陣單元，通過調(diào)整單元的剖面尺寸，利用單元間的耦合，可以使Vivaldi單元有源方向圖偏向?qū)嶋H掃描角，從而使大角度掃描狀態(tài)下的陣列波束損耗降低。

3 陣形設(shè)計(jì)

由于天線雙線極化工作，陣列可以采用方形柵格陣型排布。陣列采用連接陣技術(shù)，利用單元之間存在比較強(qiáng)的近場作用，相鄰單元間形成連續(xù)均勻電流，延展低頻帶寬，實(shí)現(xiàn)寬帶阻抗特性。

圖3 天線單元有源方向圖

在相控陣系統(tǒng)中，柵瓣的產(chǎn)生會(huì)導(dǎo)致輻射能量分散，進(jìn)而降低增益，并且導(dǎo)致測角的多值性。通過減小陣間距，可以實(shí)現(xiàn)大角度掃描處的Floquet高次模的抑制，避免柵瓣的產(chǎn)生。陣間距選取依據(jù)

(1)

當(dāng)最大掃描角θmax為50°時(shí)，陣間距選取為0.52λH。

本設(shè)計(jì)的雙極化陣型設(shè)計(jì)陣列由垂直極化和水平極化兩種極化方式組成，兩種極化的單元垂直放置，采用L形陣型排布，如圖4所示，這種結(jié)構(gòu)使得天線具有較高的極化隔離度和極化純度，工作頻帶內(nèi)的雙極化端口隔離度小于-10 dB，天線交叉極化小于-30 dB。陣列天線每個(gè)極化方式有16×16個(gè)為實(shí)元，陣列天線周圍各增加2排虛元。此時(shí)所有天線單元具有幾乎相同的邊界和電磁環(huán)境，很好地改善邊緣截?cái)嘈?yīng)，進(jìn)一步提高陣列的阻抗匹配和輻射特性。

為驗(yàn)證連接陣仿真結(jié)果的正確性，對(duì)天線進(jìn)行加工測試。陣列實(shí)物圖如圖5所示。

圖4 連接陣L型方形柵格陣型排布

圖5 雙極化天線陣列的實(shí)物照片

當(dāng)平面陣列實(shí)現(xiàn)相控掃描的過程中，各個(gè)單元的相位值發(fā)生改變，天線的波束指向也隨之發(fā)生移動(dòng)。為使天線波束指向(φ,θ)方向，陣內(nèi)激勵(lì)相位差應(yīng)為

(2)

按照式(2)對(duì)陣列進(jìn)行相位激勵(lì)，可以計(jì)算和仿真得到的陣列歸一化方向圖，如圖6所示。仿真和實(shí)測方向圖曲線符合良好。由于陣列規(guī)模較小的原因，低頻掃描角度稍微小于50°。天線法線和掃描50°方向輻射效率分別為94.5%與60.2%，測試結(jié)果表明陣列的掃描損耗小于1.9 dB。

采用功分器和延時(shí)配相電纜，實(shí)現(xiàn)陣列50°掃描，掃描狀態(tài)的有源駐波實(shí)測曲線如圖7所示，實(shí)測結(jié)果小于3。

4 結(jié)束語

本文提出了一種介質(zhì)帶線形式的Vivaldi天線連接陣，完成了天線的寬頻帶、低柵瓣、去諧振、低掃描損耗設(shè)計(jì)。工作頻率達(dá)到六倍頻程，陣列空域覆蓋范圍達(dá)到法線方向±50°，陣列仿真和實(shí)測結(jié)果符合良好，為超寬帶寬角掃描相控陣設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。

圖6 陣列仿真和實(shí)測歸一化方向圖

圖7 陣列掃描50°有源駐波實(shí)測曲線