宽带宽角扫描双极化阵列天线设计*

官 伟，秦 浩，张小林

(华东电子工程研究所，合肥 230088)

1 引言

现代电子对抗、宽带通信等领域对作为射频前端的天线要求越来越高，宽频带适应频域宽开的要求，宽角扫描则能够带来更大的空域覆盖范围，多极化使得系统克服了极化失配带来的增益损失。本文设计一种宽带宽角扫描双极化vivaldi 阵列天线，在其工作频带1～6 GHz 内，扫描角度达到±60°，天线单元阵中驻波小于1.5，能够很好地适应上述要求。

2 宽带宽角扫描天线单元设计

微带天线以其体积小、重量轻、低剖面、能与载体共形等特点得到广泛应用。对于微带天线来说，宽频带和小型化是其发展方向［1］。作为一种宽频带、高增益的行波缝隙天线，vivaldi 天线适合作该阵列天线的基础单元。所以，考虑采用微带形式设计该vivaldi 天线单元［2-4］，其基本原理是:通过微带传输线把能量耦合到天线贴片上并辐射，其逐渐变宽形成喇叭口形状的缝隙结构是辐射或接收能量的主体，其中不同的工作频点对应相应的λ/2的缝隙宽度(λ为该频点的波长），如图1所示。

该天线的结构比较简单，由两层微带板粘合而成，其中最顶层、中间层和最底层为金属，如图2所示。最顶层和最底层金属结构是相同的，均为槽线(如图1 实线所示）的缝隙结构。槽线由3 部分构成，第1 部分是圆形槽线，对微带传输起到阻抗匹配作用；第2 部分是矩形槽线，和微带传输线起到相互耦合传输电磁波的作用；第3 部分是渐变槽线，对天线所辐射的电磁波起到引向作用。中间层是馈电的微带线(虚线所示），微带线的终端为扇形结构，主要起到终端负载匹配作用，微带线通过该介质板向槽线耦合馈电。为了改善天线的接地效果，在槽线周围布满了金属化孔，这些金属化孔对增加天线的带宽也起到了很大的作用［5］。

图1 vivaldi 宽频带天线结构图

图2 vivaldi 宽频带天线俯视图

根据微带传输线及槽线理论，结合具体的设计要求，本文采用Gibson 提出的vivaldi 天线指数模型公式，即

设计了表达式为

的vivaldi 天线，采用相对介电常数为2.94的介质板，天线单元尺寸为100 mm×30 mm×3.102 mm。

在设计了阵列天线的各项基本参数后，借助高频仿真软件HFSS11 对阵列天线进行了仿真分析，通过进一步优化，得到了较为满意的仿真结果。图3为其仿真模型。图4为单元波瓣仿真结果。仿真结果表明，该单元适合宽带宽角扫描阵列天线组阵。

图3 阵列天线仿真模型

图4 单元波瓣仿真图

3 宽带宽角扫描阵列天线设计

为了保证阵列天线具有±60°的扫描能力而不出现栅瓣，辐射元的方位向间距dx须满足［6］

其中，λ为天线的最小工作波长，sinθmax为天线偏离阵面法向的最大扫描角，△为辐射单元数目的倒数。图5为单元矩形栅格排列示意图。

按照天线两个面波束要求，组成9 列×8 行的一个矩形阵。由上述确定的矩形栅格尺寸可知整个天线阵面的尺寸为:L=9×30=270 mm；W=8×30=240 mm。天线阵列仿真模型见图6。按照图6的仿真优化结果，加工的宽带宽角扫描阵列天线实物照片如图7所示。

图5 单元矩形栅格排列示意图

图6 宽度宽角扫描阵列天线仿真模型

图7 宽度宽角扫描阵列天线实物照片

4 阵列天线测试结果

采用矢量网络分析仪Agilent8719ES 对该阵列天线阵中驻波进行了测试，测试结果如图8所示。将宽带宽角扫描阵列天线与宽带波束形成网络进行组合，在室内远场对该阵列天线波瓣进行了测试，表1为阵列天线波瓣测试结果，典型的波瓣图如图9所示。实测结果表明，阵中单元的驻波小于1.5，扫描角度达到了±60°，两个极化的波瓣图在整个频带内一致性较好，满足设计要求。

图8 阵中单元实测驻波曲线

图9 阵列天线典型波瓣图

表1 阵列天线波瓣测试结果

5 结束语

本文设计了一种宽带宽角扫描双极化阵列天线，工作于1～6 GHz。通过对系统的仿真分析，设计出的天线扫描角度达到±60°，天线驻波小于1.5。由天线远场辐射方向图实测结果可以看出，此阵列天线在整个频带内一致性很好，两个极化均达到了设计要求，在电子战、宽带通信等领域具有很好的应用价值。

［1］钟顺时.微带天线理论与应用［M］.西安:西安电子科技大学出版社，1991.

［2］刘密歌.Vivaldi 宽频带微带天线的设计与仿真［J］.现代电子技术，2007，23(2）:95-96.

［3］Sze Jiayi，Wong Kinlu.Bandwidth Enhancement of a Microstrip-line-fed Printed Wide-slot Antenna［J］.IEEE Trans.on AP，2001 (7）:1020-1023.

［4］徐志，刘其中.改进型vivaldi 天线［J］.电波科学学报，2008，23(3）:471-475.

［5］H Holter，T H Chio and D H Schaubert.Experimental result s of 144-element dual-polarized endfire taperedslot phased arrays［J］.IEEE Trans.on Antennas and Propagation，2000，48 (11）:1707-1718.

［6］林昌禄.天线工程手册［M］.北京:电子工业出版社，2002.