高增益低副瓣X波段寬帶圓極化Vivaldi天線陣設(shè)計(jì)

摘要：設(shè)計(jì)了一種新型的覆蓋X波段的寬帶圓極化2×2天線陣，具有高增益、低副瓣和良好的圓極化性能。該陣列以Vivaldi天線為基本單元，采用旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)的十字形結(jié)構(gòu)，四端口等幅饋電且相位依次為0°，90°，180°和270°。此天線陣在整個(gè)X波段內(nèi)阻抗匹配良好，軸比均低于3 dB采用矩形柵欄和底部扼流環(huán)結(jié)構(gòu)將天線地板上的表面電流集中在槽線附近并降低后向輻射，從而獲得低副瓣和高增益。頻段內(nèi)的峰值增益為10.7 dB，前后比大于20 dB。兩個(gè)主平面的方向圖對(duì)稱(chēng)性良好且基本重合。各天線單元間的低耦合使得天線陣的交叉極化很低。實(shí)物測(cè)試結(jié)果與仿真結(jié)果基本吻合。

隨著現(xiàn)代電磁學(xué)的發(fā)展，高性能圓極化天線的應(yīng)用愈加廣泛。圓極化天線具有旋向正交性，可與多種極化天線配合工作，且圓極化波入射到對(duì)稱(chēng)目標(biāo)時(shí)旋向逆轉(zhuǎn)。以上這些優(yōu)勢(shì)使得圓極化天線具有較強(qiáng)的抗干擾性能，在電子偵察與干擾、通信和雷達(dá)的極化分集工作、移動(dòng)通信與GPS等抑制雨霧干擾和抗多徑反射中得到了廣泛應(yīng)用。因此，近年來(lái)對(duì)圓極化天線的研究越來(lái)越廣泛，但是高增益低副瓣的寬帶圓極化天線比較少見(jiàn)。

Vivaldi天線具有高增益、寬頻帶、質(zhì)量輕和易加工制作等優(yōu)點(diǎn)，在通信系統(tǒng)中有著越來(lái)越廣泛的應(yīng)用;應(yīng)用文獻(xiàn)的順序旋轉(zhuǎn)布陣方法可利用線極化單元組成圓極化陣列，且陣列天線較之單個(gè)天線來(lái)說(shuō)，具有更高的增益。因此，本文以Vivaldi天線為單元，設(shè)計(jì)了一種2×2的小型旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)圓極化陣列，在整個(gè)X波段圓極化性能良好，軸比低于3 dB且方向圖對(duì)稱(chēng)性良好。為了進(jìn)一步提高增益降低副瓣，本文通過(guò)在天線單元上添加矩形柵欄和在陣列底部使用扼流環(huán)結(jié)構(gòu)的方法，達(dá)到了10.7 dB的峰值增益和高于20 dB的前后比。相比于文獻(xiàn)，該陣列方向圖的對(duì)稱(chēng)性大大提高，增益前后比提高了5 dB以上，交叉極化隔離度也明顯改善。

1 天線單元設(shè)計(jì)

Vivaldi天線是一種寬頻帶、高增益的行波縫隙天線，1979年由Gibson提出。Vivaldi天線有多種饋電形式，本文采用微帶線到槽線的耦合饋電結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)如圖1(a)所示。

Vivaldi天線的饋電巴倫采用微帶線到槽線的交叉耦合結(jié)構(gòu)，能量從饋電的微帶線耦合到槽線的矩形部分，從交叉部分看進(jìn)去，微帶線的扇形枝節(jié)起短路作用，槽線末端的圓形腔起開(kāi)路作用，選擇適當(dāng)?shù)某叽缈梢栽诤軐挼念l帶內(nèi)達(dá)到阻抗匹配。微帶線最細(xì)部分與矩形槽線特性阻抗相匹配，經(jīng)由切比雪夫阻抗變換器變換至50 Ω與同軸線相接。輻射槽線采用指數(shù)曲線，表達(dá)式為

R為指數(shù)函數(shù)的漸變因子，決定天線的波束寬度。不同的工作頻點(diǎn)對(duì)應(yīng)相應(yīng)的縫寬，槽線最寬處和最窄處分別對(duì)應(yīng)最低和最高工作頻率的，因此可以根據(jù)槽線起點(diǎn)(X1，Y1)和終點(diǎn)(X2，Y2)的坐標(biāo)和選定的R值來(lái)確定確定公式(1)中的C1和C2的值：

槽線兩側(cè)的矩形柵欄用來(lái)遏制電流回流，讓表面電流集中在槽線附近，矩形柵欄的不同長(zhǎng)度對(duì)應(yīng)不同頻率的λ/4，從而在寬頻帶內(nèi)降低副瓣提高增益。柵欄對(duì)天線增益的影響如圖1(b)所示，可見(jiàn)，在整個(gè)X波段，柵欄有效提高了天線增益。

本文所設(shè)計(jì)的天線采用厚度為0.787 mm的Rogers 5880介質(zhì)基板，相對(duì)介電常數(shù)2.2，天線單元的各參數(shù)如圖1(a)所示。根據(jù)陣列天線理論，相鄰兩陣元間距不宜過(guò)大，因此，天線單元兩邊不完全對(duì)稱(chēng)是為了在組陣時(shí)拉近相鄰陣元相位中心的距離。

2 圓極化天線陣設(shè)計(jì)

文獻(xiàn)提供了一種用線極化單元組成圓極化陣列的順序旋轉(zhuǎn)布陣法，本文采用這種方法，利用線極化的Vivaldi天線產(chǎn)生圓極化波。4片Vivaldi天線單元組成十字形旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，4個(gè)端口相位依次為0°、90°、180°、270°，同一平面上的兩片天線相位中心相距15 mm(10 GHz處的半波長(zhǎng))，結(jié)構(gòu)如圖2(a)所示。一個(gè)圓極化波可以分解為兩個(gè)在空間上和在時(shí)間上均正交的等幅線極化波。由此，實(shí)現(xiàn)圓極化的基本原理就是：產(chǎn)生兩個(gè)空間上正交的線極化電場(chǎng)分量，并使二者振幅相等，相位相差90°。各天線單元旋轉(zhuǎn)正交放置，是為了產(chǎn)生兩個(gè)正交極化的波，不同的饋電相位則是為了滿足圓極化波所需的相位延遲。饋電網(wǎng)絡(luò)由購(gòu)買(mǎi)的超寬帶反相器和90°移相器組成，原理如圖2(b)所示。

在天線陣的底部，添加了一個(gè)高度10 mm，半徑25 mm的一端開(kāi)口的扼流環(huán)，與文獻(xiàn)中的背腔結(jié)構(gòu)類(lèi)似，既能起到反射板的作用，又是一個(gè)諧振結(jié)構(gòu)，把能量限制在腔體里，降低后向輻射，從而降低副瓣，由圖2(c)可以看出，此結(jié)構(gòu)使天線陣的副瓣降低了6 dB以上。

文中采用電磁仿真軟件HFSS13.0對(duì)天線進(jìn)行仿真并根據(jù)仿真模型制作了天線實(shí)物，如圖2(d)所示，饋電網(wǎng)絡(luò)的4個(gè)輸出端口與天線的4個(gè)饋電端口分別用四根等相位的同軸線相連。

3 仿真與實(shí)測(cè)結(jié)果分析

反射系數(shù)、軸比和增益的仿真與測(cè)試結(jié)果對(duì)比如圖3所示，可見(jiàn)，在整個(gè)X波段，4個(gè)端口反射系數(shù)均小于-10 dB且軸比低于3 dB，仿真增益在8.5 dB和10.7 dB之間，測(cè)試增益略低于仿真結(jié)果。反射系數(shù)誤差主要是由加工誤差造成，而軸比和增益誤差則主要是由饋電網(wǎng)絡(luò)的損耗和相位誤差及測(cè)試誤差引起的。

曲線上有一些不平滑的點(diǎn)，在這些點(diǎn)處諧振Q值很高，但軸比和增益性能惡化，這是由于天線陣中心的空隙和槽線周?chē)木匦螙艡谝鹆思纳C振，有待進(jìn)一步改進(jìn)。

8GHz和12GHz處方向圖的仿真與測(cè)試結(jié)果如圖4所示，兩個(gè)正交主平面的方向圖基本重合且對(duì)稱(chēng)性很好。半功率波瓣寬度的仿真值約為50°，測(cè)試值約為30°～40°。整個(gè)頻段內(nèi)的增益前后比高于20 dB。

10 GHz處主平面的軸比和交叉極化隨掃描角的變化如圖5所示。由于測(cè)試條件限制，這里只給出了交叉極化的仿真結(jié)果。由圖可以看出，在±20°掃描角范圍內(nèi)，該頻點(diǎn)處的軸比低于3 dB且交叉極化比高于15 dB。由于各天線單元的位置相互正交，單元問(wèn)互耦遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)天線陣，因而這種陣列在主平面上的掃描角范圍要寬于傳統(tǒng)陣列。

4 結(jié)論

文中設(shè)計(jì)了一種四端口正交饋電的十字形Vivaldi小型陣列，通過(guò)產(chǎn)生兩個(gè)空間和時(shí)間上正交的等幅線極化電場(chǎng)分量，形成圓極化波。在整個(gè)X波段內(nèi)，圓極化性能理想且增益高、副瓣低，具有較寬的掃描角。由于以上優(yōu)點(diǎn)，此天線陣在無(wú)線通信中有著廣泛的應(yīng)用前景。