一种新型超宽带紧耦合天线阵列设计

张 君，胡志慧，曲洪东

（1.海军航空工程学院电子信息工程系，山东烟台264001；2.陆军航空兵学院，北京101123）

随着舰载、机载、弹载武器系统的发展，迫切要求其雷达系统具有通信、导航、预警、电子对抗等多种功能。由于平台空间有限，同时安装多部雷达天线将非常困难，因而可在这些平台上安装超宽带天线阵列。当采用Vivaldi 天线、对数周期天线等组成阵列时，由于其是一种行波天线，纵向尺寸较大，在安装空间有限时难以满足要求。当采用平面结构的蝴蝶结天线、螺旋天线等[1-3]组成阵列时，受单元间互耦以及天线背面金属安装平台的影响，其阻抗带宽会恶化。

近年，TCA 已被应用于超宽带天线阵列设计[4-5]。不同于传统超宽带天线阵列，TCA利用单元间的强耦合来实现超宽带与小型化。Munk 等[6]人最早设计了基于偶极子天线单元的TCA，在背面加接地板（Ground Plane，GP）时，阻抗带宽可达4.5 ∶1，并在文献[7]中证实，通过多层介质加载其阻抗带宽可拓展为9 ∶1。Volakis 等[8-11]着重对矩形螺旋结构的TCA 进行了研究，实现了10 ∶1 阻抗带宽。Moulder 等人[12]对TCA做了进一步研究，采用末端相互重叠的蝴蝶结天线单元设计了TCA，在介质加载时阻抗带宽可达14.2 ∶1。国内这方面研究较少，杨仕文教授[13]设计了基于八边形环状结构的TCA，阻抗带宽4.4 ∶1。

尽管TCA 可实现多个倍程的带宽，但当与GP 之间的距离为其工作波长一半时会出现短路点，从而限制了其阻抗带宽进一步拓展。针对这一问题，本文将栅格形阻性频率选择表面（Resistive Frequency Selective Surface，RFSS）与交指型偶极子天线单元相结合设计了一种新型多层结构的超宽带TCA，采用CST对TCA加载与未加载栅格形RFSS时的阻抗带宽进行了比较分析。该新型多层结构的TCA 可克服天线阵列短路点，具有超宽带、体积小的特点，可广泛应用于舰载、机载、弹载等超宽带小型化共形相控阵天线中。

1 TCA的原理

TCA 是基于Wheeler 提出的电流面理论设计，可用紧耦合偶极子天线阵列来描述，见图1 a），d为周期，h为天线阵列与GP 的距离。不同于传统天线阵列，TCA 通过紧密地排列天线单元，使相邻单元间产生很强的耦合电容C，每个天线单元等效为电感L，其等效电路见图1 b），为其输入阻抗，其中，η0=120πΩ 为自由空间波阻抗，为天线下侧短路传输线的特性阻抗。其输入阻抗相位及驻波系数见图1 c），当时，单元间的强耦合电容C可与感性电抗ZGP相抵消，在2.1~9.5 GHz 频率范围内输入阻抗相位在-40°～40°之间，其驻波系数小于2，阻抗带宽为4.5 ∶1。

图1 紧耦合偶极子天线阵列Fig.1 Tightly coupled dipole array

2 栅格形RFSS的设计

本文设计的栅格形RFSS 如图2 a）所示，周期d=4.57 mm，距GP 高度h1=7.1 mm，栅格形电阻膜宽度w1=0.4 mm，方阻为Rs=33 Ω，基片采用RO4003，介电常数εr=3.38，厚度t1=0.508 mm，采用CST对栅格形RFSS 进行仿真分析，并与栅格形金属型频率选择表面（Metal Frequency Selective Surface，MFSS）进行了比较，如图2 b）所示，栅格形MFSS在整个频带内全反射，反射系数为1；栅格形RFSS 的反射系数会随着随频率的改变而改变，在4~16.4 GHz频率范围内其反射系数均小于0.6，在10.6 GHz 时其反射系数最小。因此，栅格形RFSS可在很宽的频带内抑制GP的反射，从而用来改变天线与GP之间介质的传输特性。

图2 栅格形RFSSFig.2 Grid RFSS

3 基于栅格形RFSS的TCA设计

基于栅格形RFSS 的TCA 天线单元见图3 a），周期d=4.57 mm。采用偶极子天线，每个单元通过交指电容与相邻单元耦合，离接地板高度h=14.2 mm，其结构如图3 b）所示，天线蚀刻于RO4003基片上，厚度t=0.508 mm。栅格形RFSS 位于离接地板h1处，等效为由电阻R及电抗XF组成的并联电路单元。Zin=jωL+1 (jωC)+ZGP//η0为 其 输 入 阻 抗，其 中，ZGP=η0(1+Γ) (1-Γ)为加载RFSS 后天线单元下侧的阻抗，Γ为栅格形RFSS 的反射系数，C为交指电容。TCA天线单元的等效电路见图3 c）。

图3 基于栅格形RFSS的TCAFig.3 TCA with grid RFSS

基于上述设计的10×10 阵列见图4，整体尺寸为101 mm×101 mm×14 mm。

图4 10×10 天线阵列Fig.4 10×10 antenna array

4 仿真结果与分析

为分析RFSS 对TCA 阻抗带宽的影响，分别针对TCA在加载栅格形RFSS、加载栅格形MFSS及没有任何加载时3 种不同情况进行了比较分析，其驻波系数及输入阻抗的相位如图5 a）、5 b）所示。

图5 不同加载时TCA驻波系数及输入阻抗相位Fig.5 VSWR and phase of TCA input impedance with different load

当TCA与GP之间没有任何加载时，由图5可知，TCA在10.6 GHz处天线阵列短路，在该频点其驻波系数远大于2，输入阻抗相位产生突变，限制了TCA的阻抗带宽。这是由于当h=λ2 时，由图1 b）等效电路知，短路传输线的特性阻抗ZGP=0 ，TCA 在频率f=c2h处短路。

当TCA与GP之间加载栅格形MFSS时，由图5可知，栅格形MFSS 虽然能抑制TCA 在10.6 GHz 处短路，但在高频段会出现短路点，其阻抗带宽仍受到了限制，这是由于MFSS属于金属谐振结构超材料，只能在很窄的带宽内抑制GP对天线的影响。

当TCA与GP之间加载栅格形RFSS后，由图5可知，TCA在1.8~18.8 GHz频率范围内输入阻抗相位在-40°～40° 之间，其驻波系数小于2，阻抗带宽可达10.4 ∶1。这是由于加载栅格形RFSS 后，由图3 c）知，受并联电阻R的影响，其输入阻抗相位在很宽的频带内变化较缓，并且由图2 b）知，栅格形RFSS后可抑制GP的反射，避免TCA 在f=c2h处短路，因而可将其放置于TCA与GP之间来拓展TCA的阻抗带宽。

5 结论

针对TCA由于GP影响其阻抗带宽受到限制的问题，本文设计了一种新型多层结构的超宽带TCA，该TCA 由交指型偶极子天线、栅格形RFSS 以及GP 组成，采用CST 对TCA 加载与未加载栅格形RFSS 时的阻抗带宽进行了比较分析。仿真结果表明：未加载栅格形RFSS时，受GP的影响，TCA在10.6 GHz处短路，其最佳阻抗带宽为4.5 ∶1（2.1~9.5 GHz）；加载栅格形RFSS后，TCA可克服天线短路点，其阻抗带宽可达10.4 ∶1（1.8~18.8 GHz）。该新型多层结构的TCA 通过加载栅格形RFSS，克服了接地板影响，进一步拓展了其阻抗带宽，在舰载、机载、弹载等超宽带小型化共形相控阵天线中有广阔应用前景。

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