差分電路的二元子陣對稱式Vivaldi天線陣列設計

廣東納睿雷達科技股份有限公司 敖少鵬 辛永豪 包曉軍 李 琳 劉遠曦

在傳統Vivaldi天線的基礎上，設計一種基于差分電路的二元子陣對稱式新型天線。天線由兩個對稱的傳統Vivaldi天線組成，但其相位設計上相差180°，使其輻射能同相疊加。該天線兼備超寬帶與高增益，優化了傳統Vivaldi天線在交叉極化上的性能，其對稱結構也有助于降低天線的交叉極化。文獻最后設計優化了一個1h12的寬帶高增益線性陣列，在增益高達18.7dBi的情況下，其帶寬達31.6%，且方向圖的交叉極化在-50dB以下。

在現代衛星通信和雷達系統中，要求天線系統同時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的工作原理是因為限制在槽線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最大的優點是能夠在大帶寬上工作，并由于該結構是開放式的，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，并兼備高增益且對稱的E面和H面的方向圖。近年來，國內外很多學者對Vivaldi天線進行了深入研究和各種改進，如Logan J T將Vivaldi的輻射臂進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構對Vivaldi天線進行改善，實現天線小型化；Xu H利用兩個正交的Vivaldi天線實現雙極化，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，是由兩個基礎Vivaldi天線組成。其中，位于同一平面的兩個基礎單元在結構上是鏡面對稱的，但兩者之間引入180°相差，使其輻射能同相疊加。該結構下的Vivaldi天線能實現高增益與大寬帶兼備，且其對稱結構有助于降低交叉極化，具有較好的工程實踐意義。

1 天線設計

傳統Vivaldi天線采用微帶線耦合槽縫進行饋電，并使得信號沿指數開口由窄端向寬端傳輸，最終向自由空間輻射。當槽線兩側的間距與自由空間波長相比非常小時，行波中的能量與導體緊密結合，然而隨著間距的增加，行波中的能量逐漸變弱并與輻射場耦合。同時，這也是Vivaldi天線能實現超寬帶的本質所在，以指數形式拓寬槽線實現各個頻率信號的輻射，其槽線的窄端對應天線的最高頻率，寬端對應最低頻率。

如圖1所示，為仿真設計的傳統Vivaldi天線，其饋點為帶狀線和指數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。該指數喇叭狀輪廓由開口率a和兩點的坐標與有關：

圖1 傳統Vivaldi天線的仿真設計

其中：

從仿真設計結果來看，傳統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。

但對單脈沖雷達來說，交叉極化影響著雷達測角的性能。交叉極化的增加會引起方位/俯仰的失調角增大，造成目標的丟失。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下的相控陣的交叉極化特性對高性能雷達有著重要意義。

為此，我們研究設計了一種兼備高增益與大帶寬的新型Vivaldi天線，同時優化了其交叉極化。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，由兩個對稱的傳統Vivaldi天線組成，但其相位設計上相差180°，使其輻射能同相疊加。天線的仿真結果如圖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31.9%。其增益可達8.03dB，且交叉極化低于-30dB。其主要仿真參數如表1所示。

表1 天線單元主要參數（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

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換中心到指數開口下端的距離；Ltc是轉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是指數開口的曲率；b是整個天線的寬度；d是整個天線的高度；t是介質基板的厚度。

2 陣列設計

一般而言，諸如相控陣雷達這等大型陣列的設計，會以小陣列進行模擬并對天線陣元進行優化微調。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的特性。而互耦效應與陣元之間的距離有關，因此陣列邊緣的單元對中心單元的影響較小。所以，小型陣列的設計可以以中心陣元距離陣列邊緣2～3個波長的尺寸為準，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計的二元對稱式Vivaldi天線進行設計了一個無限大的陣列單元，這種模擬方式包含了陣列的互耦效應以及陣列環境下單元的輻射特性，從而方便陣元的優化微調。最后，將優化好的單元天線進行1h12的線性陣列排布，其仿真后的結果如圖5～6所示。從仿真結果來看，以中心頻率9.4GHz的陣列帶寬達31.6%，陣列增益高達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

圖6 二元子陣對稱式Vivaldi天線陣列的增益

3 結論

本文設計了一種基于差分電路的二元子陣對稱式Vivaldi天線，兼備大寬帶與高增益的同時具備超低的交叉極化。從仿真結果來看，陣列具有超寬的帶寬特性，其相對帶寬達到31.6%，增益高達18.7dBi的同時具備-50dB以下的交叉極化。以該新型天線設計的小型線陣驗證了其在大型陣列運用的可能，對相控陣雷達系統的設計研究具有較好的指導意義。