基于紧耦合结构的平面宽带阵列天线设计

陶 静，李祥祥

(中国船舶重工集团第七二三研究所，江苏 扬州225101)

0 引 言

近年来，随着军用电子技术的快速发展，天线的设计开始向宽带、小型化、低剖面等方向发展，因此应用于通信与雷达领域的传统超宽带天线设计面临越来越多的挑战。紧耦合阵列天线是近年来提出的一种新型超宽带阵列天线，与常规阵列天线设计时尽可能降低天线单元间的耦合的思路不同，紧耦合阵列天线直接利用天线单元间的互耦效应以拓展天线的工作带宽。

基于强互耦效应的紧耦合相控阵天线技术，其基本设计思想可追溯到Wheeler在1965年提出的连续电流层阵列(CCSA)，这是一种不包含馈电结构和反射地板的理想阵列天线，输入阻抗和辐射阻抗均只含有电阻分量而不包含电抗分量，且只与波束指向有关[1]。Wheeler进一步发现距离地板一定高度的理想电流层在进行侧向辐射时工作带宽能够达到无限大。2003 年Munk 教授发现紧密排列的偶极子阵列天线可取得与CCSA天线相似的电流分布，进而提出了利用强电容耦合偶极子的紧耦合阵列天线[2]。

目前，紧耦合阵列天线设计一般采用偶极子天线作为天线阵列单元，并在偶极子天线末端加载交指电容来增加阵元之间的耦合效应，同时在天线上方加载单层或多层介质板作为宽角匹配层以改善阵列的扫描特性。2012年Steve Holland基于紧耦合理论提出一款工作于7～21 GHz的平面双极化阵列天线，该天线E 面、H面最大扫描角达45°，具有广泛应用前景[3]。

本文基于紧耦合结构，设计了一款6～18 GHz的平面宽带双极化阵列天线。理论仿真结果表明，在工作频带内该无限大阵列天线具有良好的阻抗匹配，且E 面、H面扫描角度达45°。鉴于可实用性，进一步研究了9×9×2阵列天线，该有限大天线仿真结果基本与该无限大阵列天线吻合。相较于传统宽带相控阵天线，本天线具有低剖面、小型化的特点。

1 天线单元结构

图1所示为天线单元的几何模型。如图1(b)所示，天线采用偶极子天线作为单元，单元尺寸大小约为1/2λh，水平极化振子臂、垂直极化振子臂位于不同平面上，振子臂尾端上下交叠，形成交指电容以增强单元间的耦合效应。天线单元的馈电形式较为简单，从振子一臂直接馈电，另一臂则与地相连短接。为抑制不平衡馈电所带来的共模激励，振子两臂均与地相连接，通过调节短接过孔的距离将共模谐振移除工作频带范围。如图1(c)所示，天线单元分为3层，Layer 1采用Rogers 5880LZ材料，作为介质匹配层可改善天线的扫描特性，其厚度约为1/4λh；Layer 2采 用Rogers 5880材 料，厚 度 为0.125 mm，偶极子天线水平极化、垂直极化部分分别印制于其上下两面；Layer 3采用Rogers 5880LZ材料作为支撑层，其厚度约为1/4λh。

2 天线的仿真与结果分析

采用Ansoft/Ansys HFSS软件，利用主从边界构建无线大周期阵列，经过优化所得有源驻波如图2所示，在6～18 GHz范围内，该无限大阵列E 面、H面扫描角达45°时，有源驻波依旧小于3，具备良好的宽角匹配性能。图3 为天线单元的辐射方向图，在工作频带范围内，单元增益如图4所示，最大为3.9 dBi。

为验证无限大边界条件的仿真结果，建立有限大天线阵列模型进行对比，有限大阵列模型为9×9×2，如图5所示。以水平极化为例，其中各端口无源驻波如图6(a)所示。可见在6～18 GHz范围内，各端口驻波VSWR＜2.5，保持良好的阻抗匹配特性。而由于边界截断效应，阵列边缘单元驻波呈现严重不匹配状态，在实际应用中可考虑在阵列边缘增加虚元以减小边界阶段效应对天线阵列电性能的不良影响。

图6(b)所示为E 面扫描时，扫描角从0°至45°时，中心单元有源驻波均在3以下，而在H面扫描角从0°至30°时均在3以下，随着扫描角度增加到45°，在低频段6～7 GHz时，中心单元有源驻波明显增大，但依旧小于4。如图6(d)所示，单元增益在-5.9～5 dBi之间波动，与无限大阵列仿真结果基本一致。

图3 无线大阵列下单元方向图

图4 无限大阵列下单元增益

图5 9×9×2阵列结构示意图

图7为不同频率下天线阵列中心单元辐射方向图。从图中可以看到，H面方向图对称性较好，半功率波束宽度大概有120°，基本与周期边界条件下吻合。然而如图7(b)所示，天线阵列中心单元H面方向图出现明显畸变，与周期边界条件下相比，方向图起伏变大，存在明显差异。这是由于阵列规模较小，水平极化右侧边缘单元的截断效应所带来的。如图8所示为中心单元与相邻端口的隔离度，在通带范围内隔离度＜-6 dB。

图9为等幅馈电的情况下天线阵列的相位扫描方向图，从图9可以看出通带范围内天线指向性良好，满足宽角扫描的特性。

图6 9×9×2阵列水平极化驻波示意图

图7 9×9×2阵列水平极化中心单元辐射方向图

图8 9×9×2阵列馈电端口隔离度

3 结束语

本文基于紧耦合结构，设计了一种6～18 GHz的宽带阵列天线，天线单元尺寸0.47λh×0.47λh，剖面高度0.54λh，具有低剖面特性，工作频带范围内阻抗匹配良好，E 面、H面扫描角度达45°，具有良好的应用前景。

图9 9×9×2阵列水平极化E面扫描方向图

[2]MUNK B A.Frequency Selective Surfaces：Theory and Design[M].New York：John Wiley &Sons，2000：94-94.

[3]HOLLAND S S，SCHAUBERT D H，VOUVAKIS MARINOS N.A 7-21 GHz dual-polarized planar ultrawideband modular antenna (PUMA)array[J].IEEE Transactions on Antennas &Propagation，2012，60(10)：4589-4600.