X波段正交極化電偶極子天線陣元的設(shè)計(jì)?

（海軍航空大學(xué)青島校區(qū) 青島 266041）

1 引言

正交極化天線是指能夠發(fā)射或接收兩個(gè)極化正交的電磁波的天線，是實(shí)現(xiàn)極化分集雷達(dá)的技術(shù)基礎(chǔ)，極化的不同會(huì)使目標(biāo)對(duì)電磁波產(chǎn)生的響應(yīng)有所不同。極化信息的充分利用可以為雷達(dá)系統(tǒng)削弱惡劣電磁環(huán)境影響，對(duì)于有源干擾、抑制環(huán)境雜波、反隱身和識(shí)別目標(biāo)等方面，可提供頗具潛力的技術(shù)途徑，并有效提高雷達(dá)的性能。具有正交極化輻射能力和極化信息鑒別的雷達(dá)系統(tǒng)逐漸成為當(dāng)前雷達(dá)技術(shù)發(fā)展的重要方向之一，而正交極化天線是雷達(dá)能夠?qū)崿F(xiàn)以上技術(shù)的基礎(chǔ)。

天線實(shí)現(xiàn)正交極化的方式有很多種，如天線結(jié)構(gòu)重構(gòu)、饋電線路重構(gòu)等，均是通過改變機(jī)械結(jié)構(gòu)的方法改變天線的極化特性。本文以正交極化天線陣的陣元為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)了一種具有正交極化功能的電偶極子陣元，通過波控系統(tǒng)對(duì)正交放置的電偶極子天線分別饋電，實(shí)現(xiàn)高速脈間變極化。按照設(shè)計(jì)思路，采用HFSS仿真軟件進(jìn)行建模仿真，獲取陣元的電參數(shù)并進(jìn)行優(yōu)化。

2 正交電偶極子天線電參數(shù)

電偶極子天線又稱對(duì)稱振子天線，具有體積小、成本低、便于集成的特點(diǎn)，適用于機(jī)載平臺(tái)上的雷達(dá)陣列天線，是比較常用的基本陣元形式。天線由兩根粗細(xì)均勻、長(zhǎng)度相同的金屬直導(dǎo)線組成，饋電端在中間端口處，導(dǎo)線之間的饋電端口間距較小，長(zhǎng)度可以忽略不計(jì)。最常用的對(duì)稱振子天線為半波振子，兩根導(dǎo)體的長(zhǎng)度為四分之一個(gè)波長(zhǎng)。正交電偶極子陣元天線由兩對(duì)電偶極子通過正交方式排列組成，因結(jié)構(gòu)特性有所改變，陣元的饋電方式也會(huì)產(chǎn)生一定的變化，同時(shí)影響整個(gè)陣元的輻射特性。

2.1 輻射場(chǎng)及方向圖

按照分時(shí)極化的觀測(cè)方法對(duì)正交電偶極子進(jìn)行分析，可將其視為兩組獨(dú)立的電偶極子，分析一組后，可通過對(duì)偶的原則，獲取兩組電偶極子的輻射特性。一組電偶極子天線的場(chǎng)強(qiáng)方向函數(shù)為

上式中，θ為yoz平面上以o為原點(diǎn)的射線與z軸的夾角，φ為xoy平面上以o為原點(diǎn)的射線與x軸的夾角。

電偶極子的方向圖如圖1所示。

圖1 電偶極子方向圖

根據(jù)天線理論，半波振子總長(zhǎng)度一般為波長(zhǎng)的一半，但在實(shí)際工程當(dāng)中，為了使天線的電抗為零，需要天線兩臂的長(zhǎng)度比半波長(zhǎng)略短。

2.2 S參量

正交電偶極子陣元有兩個(gè)饋電端口和兩個(gè)輻射端口，因此可以將其等效為四端口網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分析，分別為饋電端口1、2和輻射端口3、4。散射（S）參量對(duì)入射波、反射波和整個(gè)網(wǎng)絡(luò)性能的定義比較直觀，通過矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀可直接測(cè)量，因此常作為網(wǎng)絡(luò)分析的重點(diǎn)參量。

四端口的S參量矩陣定義如下：

上式中，[V+]是歸一化入射電壓波矩陣，[V-]是歸一化反射電壓波矩陣。

由式（2）可以看出，S參量矩陣的每個(gè)陣元都是對(duì)應(yīng)端口反射波電壓和入射波電壓的比值。在天線中，決定其主要性能的電參數(shù)均可由S參量求出。

2.3 輸入阻抗和駐波比

天線與饋線的連接處是天線的饋電端口，也稱為天線的輸入端，天線的輸入阻抗即輸入端處的等效阻抗，計(jì)算式為

式中，Pin為天線輸入功率，Vin和Iin為天線輸入端電壓和電流，Rin為輸入電阻，Xin為輸入電抗。

一般天線的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，難以獲得天線輸入端和表面的電流，采用式（3）難以算出天線輸入阻抗，一般采用天線的S參量計(jì)算，在仿真和實(shí)驗(yàn)條件下，天線的輸入阻抗為50Ω。

實(shí)際工程當(dāng)中，完全的阻抗匹配難以實(shí)現(xiàn)，一般用S參量計(jì)算出回波損耗和駐波比等參數(shù)進(jìn)行分析和衡量。對(duì)應(yīng)關(guān)系如下：

上式中，RL為天線的回波損耗，VSWR為天線的駐波比，S11即為1端口（極化1）的反射系數(shù)，若分析2端口的回波損耗和駐波比，可將S22代入上式計(jì)算。

2.4 端口隔離度

在天線等效的二端口網(wǎng)絡(luò)中，S12和S21的物理意義是不同端口間的反向傳輸系數(shù)，因此在天線中，可以作為饋電端口隔離度的指標(biāo)，較高的端口隔離度可以避免天線出現(xiàn)交叉極化，是衡量正交極化天線性能的重要指標(biāo)之一，其計(jì)算公式為

3 正交極化陣元設(shè)計(jì)方案

正交極化天線的性能要求：能夠收發(fā)雙極化波、具有較高的端口隔離度、較寬的工作頻帶、阻抗匹配。為滿足收發(fā)正交極化波和實(shí)現(xiàn)脈間極化的結(jié)構(gòu)要求，需基于傳統(tǒng)交叉放置的電偶極子天線，重新設(shè)計(jì)天線的結(jié)構(gòu)與饋電形式。

本文的設(shè)計(jì)基于正交排布的電偶極子方案，將一對(duì)正交放置的銅導(dǎo)線作為電偶極子，通過兩路細(xì)雙線分別為電偶極子饋電，結(jié)構(gòu)如圖2所示。這種結(jié)構(gòu)的雙極化天線具有空間緊湊、隔離度高的優(yōu)勢(shì)。天線的饋電結(jié)構(gòu)既能傳輸平行雙線的能量，也能通過轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)同軸線到輻射終端能量傳輸，饋電雙線的長(zhǎng)度可以根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整，具有耦合以及阻抗匹配調(diào)節(jié)的功能。

圖2 十字形電偶極子陣元結(jié)構(gòu)模型

4 陣元結(jié)構(gòu)優(yōu)化

結(jié)合陣元的技術(shù)要求和正交放置電偶極子的設(shè)計(jì)方案，使用HFSS仿真軟件建立陣元的模型。根據(jù)傳輸線理論，長(zhǎng)度的傳輸線具有阻抗的變換性，配合陣元下方饋電網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)，可將天線的容性阻抗變換為感性阻抗，或進(jìn)行相反的變換，以實(shí)現(xiàn)阻抗匹配，使天線的輸入阻抗與饋線的特性阻抗接近，饋線中電磁波的傳輸接近行波狀態(tài)。

由圖1可知，電偶極子的方向圖一般呈圓餅狀，即在H面上，各個(gè)方向輻射的功率比較均勻，這就導(dǎo)致了陣元組成陣列時(shí)后瓣功率極大。為提高陣元的增益，同時(shí)使陣元輻射的功率進(jìn)行向前傳輸，降低組陣后陣列天線的后瓣功率，在陣元水平放置平面下方的處加裝反射板。圖3從兩個(gè)視角給出了陣元模型的結(jié)構(gòu)。

圖3 陣元模型結(jié)構(gòu)圖

在交叉電偶極子的實(shí)際應(yīng)用中，因電偶極子中心處結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，會(huì)對(duì)諧振頻率產(chǎn)生一定影響，因此，在進(jìn)行陣元結(jié)構(gòu)的優(yōu)化時(shí)，需綜合考慮L2、L3、C1和H1的影響。本文選取與陣元性能密切相關(guān)的L2、C1和H1進(jìn)行分析。

L2的長(zhǎng)度直接影響到電偶極子的總長(zhǎng)度和諧振頻率，首先對(duì)L2進(jìn)行參數(shù)掃描，求解其反射系數(shù)S11，得到結(jié)果如圖4所示。

圖4 L2參數(shù)掃頻分析圖

由上圖可看出，L2長(zhǎng)度取4.6mm時(shí)，陣元在10GHz達(dá)到諧振，此時(shí)電偶極子的總長(zhǎng)度為11.2mm，出現(xiàn)這種情況的原因主要是電偶極子正交放置的方式和中間空隙的影響。

C1的取值要綜合考慮工程實(shí)際和天線的帶寬要求，取L2的值4.6mm，對(duì)C1進(jìn)行參數(shù)掃描求解S11，結(jié)果如圖5所示。

圖5 C1參數(shù)掃頻分析圖

由上圖可知，C1長(zhǎng)為1.05mm時(shí)，陣元的S11值最小，即電偶極子的直徑可取1.05mm，能夠符合實(shí)際工程要求。

陣元反射板到電偶極子的距離H1的選取直接關(guān)系到整個(gè)陣元駐波比和方向圖，為了使陣元的駐波比達(dá)到要求，反射板距離電偶極子不能過近，但是H1過大則會(huì)造成電偶極子輻射功率分散。在確定電偶極子的尺寸之后，對(duì)H1進(jìn)行參數(shù)掃描分析，得到S11如圖6所示。

圖6 H1參數(shù)掃頻分析圖

可以看出，當(dāng)H1為6.5mm時(shí)，陣元的S11值最小，根據(jù)式（5）可知此時(shí)天線的駐波比能夠取最小值，后續(xù)只需仿真驗(yàn)證該距離能否產(chǎn)生實(shí)際需求的方向圖。

按照天線理論，L2、C1和H1三個(gè)參數(shù)應(yīng)當(dāng)會(huì)對(duì)隔離度產(chǎn)生一定的影響，經(jīng)掃頻分析，上述參數(shù)產(chǎn)生變化時(shí)，S12和S21的變化呈現(xiàn)無序性，因此僅在參數(shù)優(yōu)化后對(duì)其隔離度進(jìn)行分析。

基于以上參數(shù)掃描和分析優(yōu)化，天線的實(shí)際尺寸如表1所示，此時(shí)陣元的諧振點(diǎn)與工作頻帶基本重合，可以進(jìn)一步討論陣元其他的電參數(shù)。

表1 正交極化電偶極子尺寸

5 仿真結(jié)果及分析

將3節(jié)中所設(shè)計(jì)陣元進(jìn)行仿真，仿真后得到的S參量結(jié)果如圖7所示，工作頻帶選取（10±0.3）GHz，此時(shí)電偶極子達(dá)到了諧振。

圖7 陣元S參量掃頻分析圖

對(duì)圖7（a）進(jìn)行分析，在工作頻帶內(nèi)，單個(gè)電偶極子的回波損耗能控制在-16.5dB以下，工作頻率在10GHz時(shí)，小于-21dB，說明當(dāng)前電偶極子在回波損耗這一指標(biāo)方面能夠滿足其作為相控陣天線陣元的需求；圖7（b）中，工作頻帶內(nèi)該組電偶極子的端口隔離度指標(biāo)基本相同，曲線重合，隨工作頻率的增大遞減，最小值為-76.2dB，此時(shí)產(chǎn)生交叉極化的功率值基本可以忽略不計(jì)，說明對(duì)稱結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)能夠有效降低交叉極化。

對(duì)陣元的駐波比進(jìn)行掃頻分析，結(jié)果如圖8所示，兩種極化狀態(tài)下，在工作頻帶內(nèi)的VSWR范圍為1.1745-1.338，由于互耦的影響，工作頻率在10GHz時(shí)，VSWR 的最小值為 1.1822（極化 1）和1.1745（極化2）。

圖8 陣元駐波比掃頻分析圖

分別對(duì)不同極化的電偶極子激勵(lì)，并合理設(shè)置邊界條件，得到的二維輻射方向圖除角度區(qū)別外，幅度基本相同，如圖9所示，由圖可看出天線E面和H面的波束均比較寬，加裝的反射板降低了天線后瓣，主瓣最大增益為8.36dB，E面3dB波束寬度約為96°，H面3dB波束寬度約為60°，滿足陣元的設(shè)計(jì)要求。

圖9 陣元二維輻射方向圖

經(jīng)仿真驗(yàn)證，陣元兩種極化的三維輻射方向圖在z軸上的增益基本一致，形狀如圖9所示，僅在xoy平面上有90°的方向差別。

圖10 陣元三維輻射方向圖（極化1）

6 結(jié)語

電偶極子天線常用于陣列天線當(dāng)中的陣元部分，本文在充分研究電偶極子天線工作原理的基礎(chǔ)上，提出了一種能夠?qū)崿F(xiàn)脈間快速變極化的X波段電偶極子陣元模型。該天線由一組正交放置的電偶極子組成，加裝反射板以優(yōu)化天線的方向圖。通過建模仿真，分析其駐波比和方向圖等重點(diǎn)參數(shù)，驗(yàn)證了該陣元工作在9.7GHz～10.3GHz的適用性。該陣元設(shè)計(jì)方案可以在后續(xù)天線陣設(shè)計(jì)的工程實(shí)踐中加以應(yīng)用。