王亞偉 高向軍 朱莉

摘 要：本文設(shè)計了一種在3.2～18 GHz頻率范圍工作的超寬帶雙極化天線。 天線單元為雙開槽Vivaldi天線， 基于共形波紋邊緣的設(shè)計思想， 利用指數(shù)形槽縫波紋邊緣使雙開槽Vivaldi天線在與同尺寸傳統(tǒng)Vivaldi天線相近的帶寬內(nèi)獲得了高增益等良好的輻射特性。 通過將兩個雙開槽Vivaldi天線正交放置， 實現(xiàn)了超寬帶雙極化天線的設(shè)計， 測試結(jié)果表明， 工作頻帶內(nèi)的極化隔離度高于25 dB， 增益高于7 dB， 輻射特性良好。 與利用兩傳統(tǒng)Vivaldi天線實現(xiàn)雙極化相比， 避免了天線輻射結(jié)構(gòu)的交叉， 降低了設(shè)計的復(fù)雜度。

關(guān)鍵詞： 雙極化天線; 雙開槽Vivaldi天線; 共形波紋邊緣; 超寬帶天線; 高增益

中圖分類號：TJ761.1+3; TN82文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號： 1673-5048（2018）05-0054-04[SQ0]

0 引言

雙極化天線是現(xiàn)代雷達(dá)提高電子對抗能力使用的重要天線類型之一， 雙極化天線的使用將很大程度上增強雷達(dá)對電磁波極化信息的獲取， 而極化信息的利用可以有效提高雷達(dá)的抗干擾、 目標(biāo)檢測和識別能力[1]。 雙極化和超寬帶相結(jié)合， 意味著通信的高數(shù)據(jù)率、 高抗多徑衰減能力， 雷達(dá)的高分辨力、 低截獲概率、 高抗干擾能力， 以及定位系統(tǒng)的高精度。 雙極化天線包括單一天線雙模工作實現(xiàn)雙極化[2]和兩個單極化天線通過空間組合實現(xiàn)雙極化[3-5]兩種實現(xiàn)方式。 對于雙極化天線來說， 不同極化模式必須有相同的相位中心， 因為相位中心的偏移會導(dǎo)致較大的、 難以補償?shù)南到y(tǒng)誤差， 在利用兩個單極化天線構(gòu)成雙極化輻射時需要特別強調(diào)。 雙極化天線要求兩種極化方式都有優(yōu)良的工作性能， 同時相互之間保持較高的隔離度。 一般利用單一天線的正交模式或兩個單極化天線正交放置都可實現(xiàn)不同極化方式間的高隔離度。 文獻(xiàn)[2]中圓形縫隙正交模式間的隔離度大于35 dB。 文獻(xiàn)[3]利用兩個正交放置的Vivaldi天線實現(xiàn)了兩種極化方式間大于20 dB的隔離， 該實現(xiàn)方式中， 兩個Vivaldi天線的微帶線/槽線轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)存在重合， 并且需要破壞其中一個Vivaldi天線的圓形縫隙背腔， 結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜。

本文基于高增益雙開槽Vivaldi天線（Double-Slot Vivaldi Antenna， DSVA）和共形波紋邊緣（Conformal Corrugated Edge， CCE）設(shè)計了一超寬帶高增益DSVA。 將兩個超寬帶高增益DSVA正交放置， 設(shè)計了一種超寬帶雙極化天線， 與采用傳統(tǒng)Vivaldi天線（Conventional Vivaldi Antenna， CVA）正交放置實現(xiàn)超寬帶雙極化[3]相比， 本文設(shè)計的雙極化天線擁有更好的輻射特性。 此外， 在結(jié)構(gòu)上避免了漸變槽線的重合， 降低了工程實現(xiàn)的復(fù)雜性。

天線設(shè)計過程中利用HFSS仿真軟件對天線性能進(jìn)行計算， 加工所用介質(zhì)板為聚四氟乙烯玻璃布板， 介電常數(shù)為2.65， 厚度為1 mm， 損耗角正切為0.001。

1 天線結(jié)構(gòu)設(shè)計

DSVA的結(jié)構(gòu)[6]如圖1（a）所示， 該結(jié)構(gòu)的實現(xiàn)步驟為首先在保持尺寸不變的前提下將CVA轉(zhuǎn)換為E面二元陣結(jié)構(gòu); 其次減小二元陣中單元間相鄰輻射臂的長度。 利用圖1（a）中的結(jié)構(gòu)參數(shù)建立DSVA的曲線方程如下：

對于CVA， 由于邊緣電流的影響， 低頻端的阻抗特性和輻射特性難以滿足設(shè)計要求。 常用的改善手段為在天線邊緣處采用波紋邊緣。文獻(xiàn)[7]提出了一種新的Vivaldi天線波紋邊緣設(shè)計思想——共形波紋邊緣， 基于此， 本文利用式（3）～（4）為DSVA設(shè)計了相應(yīng)的指數(shù)形槽線波紋邊緣， 如圖1（b）所示。

對圖1中的天線進(jìn)行優(yōu)化計算， 確定天線的結(jié)構(gòu)參數(shù)： 天線口徑寬度W為80 mm; 雙槽之間的距離Ws為40 mm; 槽線總長L為120 mm;中心輻射臂長度Ls為60 mm; 槽線起始寬度g為0.5 mm; 圓形槽線開路腔半徑Rc為4 mm; 天線槽線起始點至天線后端邊緣的距離Lb為25 mm; 指數(shù)形槽縫寬度wce為2.5 mm， 縱向長度tce為7.5 mm， 排列周期為2wce。

2 天線性能分析

2.1 雙開槽Vivaldi天線工作特性

文獻(xiàn)[6]對DSVA和CVA的性能進(jìn)行了對比分析。 與同尺寸的CVA相比， DSVA擁有相近的端口匹配特性， 更好的高頻輻射特性， 主要體現(xiàn)在增益的提高和波束分裂現(xiàn)象的減少。 圖3給出了有無波紋邊緣的兩個DSVA及一個同尺寸CVA的端口反射系數(shù)、 輻射增益的對比結(jié)果。

可以看出， CCE改善了DSVA的端口匹配并實現(xiàn)了和同尺寸CVA近似的工作帶寬， 此外， CCE大大改善了DSVA的低頻輻射增益， 結(jié)合DSVA良好的高頻輻射特性， 擁有CCE的DSVA獲得了與同尺寸CVA相比全頻段范圍（3.2～18 GHz）內(nèi)的增益提升。

2.2 超寬帶雙極化天線隔離特性

利用兩個DSVA， 按照圖2所示結(jié)構(gòu)組合成為一個超寬帶雙極化天線。 在仿真軟件中對天線的端口特性進(jìn)行計算， 圖4給出了超寬帶雙極化天線中兩個正交單元的端口反射系數(shù)及兩種極化模式間的隔離度。 可以看出， 兩天線單元的端口反射系數(shù)在3.2～18 GHz的頻率范圍內(nèi)都小于-10 dB， 表明了兩種極化模式天線良好的端口特性。 此外， 兩種極化模式間的隔離度在3.2～18 GHz的頻率范圍內(nèi)大于30 dB， 體現(xiàn)出了兩種極化模式的良好隔離。 這一結(jié)果說明設(shè)計的超寬帶雙極化天線擁有超寬帶和高隔離度的端口工作特性。

3 超寬帶雙極化天線加工與測試

在上述分析的基礎(chǔ)上， 對設(shè)計的超寬帶雙極化天線進(jìn)行加工和測試， 天線實物如圖5所示。 利用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對雙極化天線兩種極化模式端口的反射系數(shù)及其隔離系數(shù)進(jìn)行了測試， 結(jié)果如圖6所示， 可以看出， 超寬帶雙極化天線的兩種極化模式在3.2～18 GHz的頻率范圍內(nèi)端口增益都大于7 dB， 該結(jié)果與圖3（b）中的計算結(jié)果一致。 此外， 測試所得兩種極化模式間的隔離度在3.2～18 GHz的頻率范圍內(nèi)大于25 dB。

圖7～8給出了超寬帶雙極化天線兩種極化模式分別在3.2 GHz， 9 GHz， 18 GHz處的E面和H面方向圖測試結(jié)果， 可以看出兩種極化模式方向圖間較好的一致性， 體現(xiàn)出超寬帶雙極化天線良好的輻射特性。 圖7給出了兩種極化輻射的輻射增益， 可以看出， 在3.2～18 GHz的頻率范圍內(nèi)輻射增益大于7 dB， 最大達(dá)到約13 dB。

4 結(jié)論

本文設(shè)計了一款性能良好的超寬帶雙極化天線。 所用天線單元為雙開槽Vivaldi天線， 雙開槽

Vivaldi天線與同尺寸的傳統(tǒng)Vivaldi天線相比， 在相近的工作頻帶內(nèi)能夠?qū)崿F(xiàn)高頻輻射增益的提高。結(jié)合共形波紋邊緣結(jié)構(gòu)， 雙開槽Vivaldi天線的低頻增益也得到了提高。 通過將兩個雙開槽Vivaldi天線正交放置， 設(shè)計了一種超寬帶雙極化天線， 在3.2～18 GHz頻率范圍內(nèi)極化隔離超過25 dB， 增益超過7 dB， 方向圖特性良好。 與利用傳統(tǒng)Vivaldi天線正交放置實現(xiàn)雙極化相比， 避免了漸變槽線的交叉， 降低了設(shè)計的復(fù)雜度。

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Design of a Novel Ultra Wideband Dual Polarization Antenna

Wang Yawei， Gao Xiangjun， Zhu Li

（School of Air and Missile Defense， Air Force Engineering University， Xian 710051， China）

Abstract： A novel ultra wideband dual polarization antenna with the operating frequency range of 3.2～18 GHz is designed. The element is the double slot Vivaldi antenna.Based on the concept of conformal corrugated edge， the double slot Vivaldi antenna with corrugated edges is designed. Compared with the typical Vivaldi antenna with the same size， the designed double slot Vivaldi antenna has similar operating band but improves gain. A dual polarization antenna can be realized by putting two double slot Vivaldi antennas vertically cross each other. In the operating band， the dual polarization antenna has its polarization isolation more than 25 dB and its gain more than 7 dB. Compared with a dual polarization antenna constructed by two conventional Vivaldi antennas using the same method， intersection between the tapered slots is avoided in the proposed dual polarization antenna， which will significantly simplify the design procedure.

Key words：dual polarization antenna; double slot Vivaldi antenna; conformal corrugated edge; ultra wideband antenna; high gain