超宽带Vivaldi阵列天线设计

袁 晶 王元源 华根瑞

(西安电子工程研究所 西安 710100)

1 引言

超宽带(Ultra Wide-Band，UWB)技术起源于二十世纪五十年代末［1，2］，上世纪六十年代就已经出现了有关UWB的发射机和接收机技术。近年来，信号处理、半导体固态器件的超宽带技术的发展迅猛，使得宽带、超宽带系统进一步走入工程化。超宽带技术具有抗干扰能力强，保密性好等诸多优势，在通信与雷达领域得到日益广泛的应用。而作为UWB系统关键设备的超宽带天线，其功能应用、设计方法及制造工艺均已成为国内外研究的热点。

此外，为了应对未来战场日益恶劣的复杂电磁环境，同时降低电子系统的体积与重量，今后的趋势是在各类军用载体平台上实现雷达、电子战、通信、导航定位等多项功能的集成融合，即综合射频的概念。而实现该目标的核心技术就是天线孔径的综合设计，为了能实现天线的孔径共享，覆盖雷达、电子战、通信和导航等多波段的超宽带阵列天线技术将是重要的研究基础。因此，超宽带阵列天线技术有着十分宽广的应用前景。

基于以上需求，本文设计并加工了一维超宽带阵列天线，其辐射单元采用锥形渐变开槽辐射器［3～6］(Vivaldi天线)。通过在阵中优化参数使单个天线单元在6～18GHz频带内拥有良好的驻波特性，同时其口径尺寸小于高频端波长。整个阵列经由阻抗渐变的微带功分器［7］级联馈电，在6～18GHz频带范围内不但驻波比小于2.1，并且表现出优良的辐射特性。

2 工作原理与设计

2.1 天线单元设计

超宽带阵列采用Vivaldi天线作为阵列单元，Vivaldi天线是一种非周期、渐变的行波天线，它由呈指数规律变化的槽线构成，将介质板上的槽线宽度逐渐加大，形成喇叭口向外辐射或向内接收电磁波。对于某一工作频率，只有槽线宽度与波长接近的区域才能向空间形成有效的辐射，当工作频率发生变化，其辐射区域也相应变化，且辐射区域槽线的宽度与辐射的波长成比例。由于在不同工作频率下，Vivaldi天线的电尺寸始终保持不变，因此其具有宽频带特性，理论上可以达到无限大带宽。除此之外，Vivaldi天线副瓣低，增益适中，波束宽度可调，并且为微带结构，尺寸小，成本低，结构简单易于加工，十分适合应用于印刷电路中，作为超宽带阵列单元具有良好的性能。

由于Vivaldi天线单元间沿电场极化方向隔离度较低，耦合对单元驻波影响十分明显，尤其是在较低频段。因此，在设计单元时需要将其置于阵列环境中进行参数优化，以达到拓展低频端带宽的目的。

图1 天线辐射单元

图1所示是在HFSS软件下建立的阵列仿真模型，阵中辐射单元数量为8个，单元间距为15mm，PCB板材采用聚四氟乙烯玻璃布板，介电常数2.2，厚度为0.78mm。为了改善辐射单元的边缘效应，降低单元驻波，提高天线阵整体性能，需要在阵列边缘各寄生一个非辐射单元。在工作带宽内，波长满足 λ18GHz＜ λ ＜ λ6GHz，其中，λ18GHz=16.7mm，λ6GHz=50mm。由于阵中单元间距仅为15mm，小于高频端波长，因此，在法向辐射时，全频段方向图不会出现栅瓣。此外，单元间距仅为最大波长的0.3倍，天线阵列具备在低频段进行宽角扫描的能力。

考虑到阵中单元口径受限(仅为最大波长的0.3倍)，单个天线无法达到低频段(6～8GHz)驻波小于2.5的要求。组阵后，由于沿天线极化方向的互耦增强(相邻单元耦合系数约为14dB);同时，沿介质基板的表面波也对耦合产生显著影响。耦合能量的引入可有效抵消低频段回波反射，从而起到在全频段内改善驻波，提高阵列性能的作用。

2.2 馈电网络

馈电层由多级渐变线功分器［7］构成。图2所示为微带馈电网络的仿真模型，其输出端口特性阻抗为50Ω。采用连续阻抗渐变线构成，通过调节各级联功分拐角的角度、线宽及长度，达到改善整个网络驻波的目标。图3(a)为全频带内馈电网络的驻波特性曲线，除在15～16GHz驻波比达到1.3以外，其他频段驻波比均在1.2以下。图3(b)则给出了渐变馈电网络的插损，可知随着工作频率的升高，网络的损耗大幅增加，分别为在6～12GHz频带内小于1dB，12～18GHz频带内小于2.4dB。由上可知，馈电网络能够满足对超宽带阵列的馈电要求。

3 仿真分析

阵列的辐射层由8个Vivaldi天线单元沿电场极化方向并排组成，通过在其两端寄生非辐射单元，可以为阵内的辐射单元提供相似的边界条件，从而使其驻波特性趋于一致，图4(a)所示为在阵列环境中，单个天线单元的仿真驻波曲线，可见其VSWR≤2。图4(b)则给出了连接功分网络后的总端口驻波仿真曲线，结果表明阵列在全频带的驻波≤2.2。

图4 天线阵列输入电压驻波仿真曲线

图5给出天线阵列在连接馈电网络情况下的E面仿真方向图，其高中低三个频点的方向图指标在表1中列出。由仿真方向图可以看出所设计的Vivaldi天线阵在全频带内均具有规则且良好的辐射方向图。

图5 天线阵列E面方向图仿真曲线

表1 超宽带阵列天线仿真结果

4 实测数据与分析

根据仿真分析结果进行了原理试验件的加工，加工天线的实物如图6所示。并在6～18GHz全频带内对阵列输入端口的电压驻波比以及远场辐射方向图进行了详细测试。

图6 超宽带阵列天线实物图

天线阵中心频率为12GHz，通过软件仿真结果可知在6GHz～18GHz的频段范围内，天线输入端的电压驻波比(VSWR)＜2.2。图7中给出了电压驻波比的实际测试结果，由测试结果可知，阵列在全频带内的驻波比＜2.1。

对天线方向图的测试选择6～18GHz频带内的整数频率点，频率间隔1GHz，共测量了13个频点的数据。对于一维线阵，图8给出沿天线极化方向的E面方向图。

图9中对高中低三个频点(6GHz、12GHz、18GHz)的天线仿真与实测方向图进行了对比，结果表明二者吻合良好，仿真结果可靠。从图中可以看出，天线在各频点处的主瓣与邻近副瓣的测试结果与仿真曲线基本重合，天线阵在全频带内具备良好的辐射性能。

图9 E面仿真与实测天线方向图

图10中为天线在全频带内的软件仿真增益值与实测增益值曲线，从图中可以看出，测试结果与仿真结果趋势相同，在高频端(15GHz～18GHz)随着远区旁瓣的逐渐升高，以及馈电网络损耗、接头损耗的迅速增大，天线增益较频带中心区域(10～14GHz)出现明显的下降，这与馈电网络的仿真结果十分吻合。由此可见，对于Vivaldi超宽带阵列而言，高频端的网络损耗对天线增益具有至关重要的影响，因此，在大型相控阵中应用此类天线时，一维无源子阵的单元数目应尽量不超过8个。

图10 仿真与实测天线增益曲线

5 结论

本文针对超宽带系统的应用需求，设计并加工了覆盖6～18GHz的Vivaldi超宽带阵列天线，选用微带渐变线功分器以及寄生单元的方案有效降低了阵列的驻波。实测数据与仿真结果吻合良好，实测结果表明天线阵列在6～18GHz的频带范围内具有良好的驻波与辐射特性。阵中单元间距小于高频端波长，可应用于大角度扫描的相控阵中。此外，本天线在超宽带多功能系统中应用广泛，通过采用十字交叉放置可以在极宽频带内实现双极化或多极化。在电子对抗、无源探测、穿墙雷达、综合射频孔径方面有重要的应用前景。并且制造成本低廉，易于实现小型化与低剖面。与国外研究成果相比，本课题在天线低频端拓展、单元小型化以及多极化研究方面仍有进一步提升的空间。

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