廣東納睿雷達(dá)科技股份有限公司 敖少鵬 辛永豪 包曉軍 李 琳 劉遠(yuǎn)曦

在傳統(tǒng)Vivaldi天線的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)一種基于差分電路的二元子陣對(duì)稱式新型天線。天線由兩個(gè)對(duì)稱的傳統(tǒng)Vivaldi天線組成，但其相位設(shè)計(jì)上相差180°，使其輻射能同相疊加。該天線兼?zhèn)涑瑢拵c高增益，優(yōu)化了傳統(tǒng)Vivaldi天線在交叉極化上的性能，其對(duì)稱結(jié)構(gòu)也有助于降低天線的交叉極化。文獻(xiàn)最后設(shè)計(jì)優(yōu)化了一個(gè)1h12的寬帶高增益線性陣列，在增益高達(dá)18.7dBi的情況下，其帶寬達(dá)31.6%，且方向圖的交叉極化在-50dB以下。

在現(xiàn)代衛(wèi)星通信和雷達(dá)系統(tǒng)中，要求天線系統(tǒng)同時(shí)具備寬帶和雙極化特性，以提升信息傳輸容量、信號(hào)接收的質(zhì)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(chǎn)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(kuò)張到某一寬度，并在該寬度上向外輻射信號(hào)。從理論上說，TSA的工作原理是因?yàn)橄拗圃诓劬€中的磁場(chǎng)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(yōu)點(diǎn)是能夠在大帶寬上工作，并由于該結(jié)構(gòu)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?zhèn)涓咴鲆媲覍?duì)稱的E面和H面的方向圖。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者對(duì)Vivaldi天線進(jìn)行了深入研究和各種改進(jìn)，如Logan J T將Vivaldi的輻射臂進(jìn)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(duì)拓型結(jié)構(gòu)對(duì)Vivaldi天線進(jìn)行改善，實(shí)現(xiàn)天線小型化；Xu H利用兩個(gè)正交的Vivaldi天線實(shí)現(xiàn)雙極化，其輻射臂引入條形波紋來(lái)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(duì)稱式新型Vivaldi天線單元，是由兩個(gè)基礎(chǔ)Vivaldi天線組成。其中，位于同一平面的兩個(gè)基礎(chǔ)單元在結(jié)構(gòu)上是鏡面對(duì)稱的，但兩者之間引入180°相差，使其輻射能同相疊加。該結(jié)構(gòu)下的Vivaldi天線能實(shí)現(xiàn)高增益與大寬帶兼?zhèn)?，且其?duì)稱結(jié)構(gòu)有助于降低交叉極化，具有較好的工程實(shí)踐意義。

1 天線設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)Vivaldi天線采用微帶線耦合槽縫進(jìn)行饋電，并使得信號(hào)沿指數(shù)開口由窄端向?qū)挾藗鬏敚罱K向自由空間輻射。當(dāng)槽線兩側(cè)的間距與自由空間波長(zhǎng)相比非常小時(shí)，行波中的能量與導(dǎo)體緊密結(jié)合，然而隨著間距的增加，行波中的能量逐漸變?nèi)醪⑴c輻射場(chǎng)耦合。同時(shí)，這也是Vivaldi天線能實(shí)現(xiàn)超寬帶的本質(zhì)所在，以指數(shù)形式拓寬槽線實(shí)現(xiàn)各個(gè)頻率信號(hào)的輻射，其槽線的窄端對(duì)應(yīng)天線的最高頻率，寬端對(duì)應(yīng)最低頻率。

如圖1所示，為仿真設(shè)計(jì)的傳統(tǒng)Vivaldi天線，其饋點(diǎn)為帶狀線和指數(shù)開口的喇叭狀槽縫末端的垂直交叉處，信號(hào)沿著喇叭狀槽縫傳輸并最終向外輻射。該指數(shù)喇叭狀輪廓由開口率a和兩點(diǎn)的坐標(biāo)與有關(guān)：

圖1 傳統(tǒng)Vivaldi天線的仿真設(shè)計(jì)

其中：

從仿真設(shè)計(jì)結(jié)果來(lái)看，傳統(tǒng)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(tǒng)Vivaldi天線的交叉極化不高，約在-20～-30dB的范圍之間。

但對(duì)單脈沖雷達(dá)來(lái)說，交叉極化影響著雷達(dá)測(cè)角的性能。交叉極化的增加會(huì)引起方位/俯仰的失調(diào)角增大，造成目標(biāo)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(dá)下的相控陣的交叉極化特性對(duì)高性能雷達(dá)有著重要意義。

為此，我們研究設(shè)計(jì)了一種兼?zhèn)涓咴鲆媾c大帶寬的新型Vivaldi天線，同時(shí)優(yōu)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(duì)稱式模型，由兩個(gè)對(duì)稱的傳統(tǒng)Vivaldi天線組成，但其相位設(shè)計(jì)上相差180°，使其輻射能同相疊加。天線的仿真結(jié)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(duì)帶寬達(dá)31.9%。其增益可達(dá)8.03dB，且交叉極化低于-30dB。其主要仿真參數(shù)如表1所示。

表1 天線單元主要參數(shù)（單位：mm）

圖2 基于差分電路的二元子陣對(duì)稱式Vivaldi天線

圖3 二元對(duì)稱式Vildi天線的S11參數(shù)

圖4 二元對(duì)稱式Vivaldi天線的增益

其中，Lta是帶狀線與槽線的轉(zhuǎn)換中心到指數(shù)開口下端的距離；Ltc是轉(zhuǎn)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(shù)開口的曲率；b是整個(gè)天線的寬度；d是整個(gè)天線的高度；t是介質(zhì)基板的厚度。

2 陣列設(shè)計(jì)

一般而言，諸如相控陣?yán)走_(dá)這等大型陣列的設(shè)計(jì)，會(huì)以小陣列進(jìn)行模擬并對(duì)天線陣元進(jìn)行優(yōu)化微調(diào)。小陣列的分析主要包括陣元的互耦對(duì)中心單元的影響以及有源反射系數(shù)的特性。而互耦效應(yīng)與陣元之間的距離有關(guān)，因此陣列邊緣的單元對(duì)中心單元的影響較小。所以，小型陣列的設(shè)計(jì)可以以中心陣元距離陣列邊緣2～3個(gè)波長(zhǎng)的尺寸為準(zhǔn)，即可模擬大型陣列天線的性能特性。

本文利用主從邊界對(duì)上文設(shè)計(jì)的二元對(duì)稱式Vivaldi天線進(jìn)行設(shè)計(jì)了一個(gè)無(wú)限大的陣列單元，這種模擬方式包含了陣列的互耦效應(yīng)以及陣列環(huán)境下單元的輻射特性，從而方便陣元的優(yōu)化微調(diào)。最后，將優(yōu)化好的單元天線進(jìn)行1h12的線性陣列排布，其仿真后的結(jié)果如圖5～6所示。從仿真結(jié)果來(lái)看，以中心頻率9.4GHz的陣列帶寬達(dá)31.6%，陣列增益高達(dá)18.7dBi，且交叉極化在-50dB以下。

圖5 二元子陣對(duì)稱式Vivaldi天線陣列的S11參數(shù)

圖6 二元子陣對(duì)稱式Vivaldi天線陣列的增益

3 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種基于差分電路的二元子陣對(duì)稱式Vivaldi天線，兼?zhèn)浯髮拵c高增益的同時(shí)具備超低的交叉極化。從仿真結(jié)果來(lái)看，陣列具有超寬的帶寬特性，其相對(duì)帶寬達(dá)到31.6%，增益高達(dá)18.7dBi的同時(shí)具備-50dB以下的交叉極化。以該新型天線設(shè)計(jì)的小型線陣驗(yàn)證了其在大型陣列運(yùn)用的可能，對(duì)相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究具有較好的指導(dǎo)意義。