X波段正交极化电偶极子天线阵元的设计∗

（海军航空大学青岛校区 青岛 266041）

1 引言

正交极化天线是指能够发射或接收两个极化正交的电磁波的天线，是实现极化分集雷达的技术基础，极化的不同会使目标对电磁波产生的响应有所不同。极化信息的充分利用可以为雷达系统削弱恶劣电磁环境影响，对于有源干扰、抑制环境杂波、反隐身和识别目标等方面，可提供颇具潜力的技术途径，并有效提高雷达的性能。具有正交极化辐射能力和极化信息鉴别的雷达系统逐渐成为当前雷达技术发展的重要方向之一，而正交极化天线是雷达能够实现以上技术的基础。

天线实现正交极化的方式有很多种，如天线结构重构、馈电线路重构等，均是通过改变机械结构的方法改变天线的极化特性。本文以正交极化天线阵的阵元为研究对象，设计了一种具有正交极化功能的电偶极子阵元，通过波控系统对正交放置的电偶极子天线分别馈电，实现高速脉间变极化。按照设计思路，采用HFSS仿真软件进行建模仿真，获取阵元的电参数并进行优化。

2 正交电偶极子天线电参数

电偶极子天线又称对称振子天线，具有体积小、成本低、便于集成的特点，适用于机载平台上的雷达阵列天线，是比较常用的基本阵元形式。天线由两根粗细均匀、长度相同的金属直导线组成，馈电端在中间端口处，导线之间的馈电端口间距较小，长度可以忽略不计。最常用的对称振子天线为半波振子，两根导体的长度为四分之一个波长。正交电偶极子阵元天线由两对电偶极子通过正交方式排列组成，因结构特性有所改变，阵元的馈电方式也会产生一定的变化，同时影响整个阵元的辐射特性。

2.1 辐射场及方向图

按照分时极化的观测方法对正交电偶极子进行分析，可将其视为两组独立的电偶极子，分析一组后，可通过对偶的原则，获取两组电偶极子的辐射特性。一组电偶极子天线的场强方向函数为

上式中，θ为yoz平面上以o为原点的射线与z轴的夹角，φ为xoy平面上以o为原点的射线与x轴的夹角。

电偶极子的方向图如图1所示。

图1 电偶极子方向图

根据天线理论，半波振子总长度一般为波长的一半，但在实际工程当中，为了使天线的电抗为零，需要天线两臂的长度比半波长略短。

2.2 S参量

正交电偶极子阵元有两个馈电端口和两个辐射端口，因此可以将其等效为四端口网络进行分析，分别为馈电端口1、2和辐射端口3、4。散射（S）参量对入射波、反射波和整个网络性能的定义比较直观，通过矢量网络分析仪可直接测量，因此常作为网络分析的重点参量。

四端口的S参量矩阵定义如下：

上式中，[V+]是归一化入射电压波矩阵，[V-]是归一化反射电压波矩阵。

由式（2）可以看出，S参量矩阵的每个阵元都是对应端口反射波电压和入射波电压的比值。在天线中，决定其主要性能的电参数均可由S参量求出。

2.3 输入阻抗和驻波比

天线与馈线的连接处是天线的馈电端口，也称为天线的输入端，天线的输入阻抗即输入端处的等效阻抗，计算式为

式中，Pin为天线输入功率，Vin和Iin为天线输入端电压和电流，Rin为输入电阻，Xin为输入电抗。

一般天线的结构比较复杂，难以获得天线输入端和表面的电流，采用式（3）难以算出天线输入阻抗，一般采用天线的S参量计算，在仿真和实验条件下，天线的输入阻抗为50Ω。

实际工程当中，完全的阻抗匹配难以实现，一般用S参量计算出回波损耗和驻波比等参数进行分析和衡量。对应关系如下：

上式中，RL为天线的回波损耗，VSWR为天线的驻波比，S11即为1端口（极化1）的反射系数，若分析2端口的回波损耗和驻波比，可将S22代入上式计算。

2.4 端口隔离度

在天线等效的二端口网络中，S12和S21的物理意义是不同端口间的反向传输系数，因此在天线中，可以作为馈电端口隔离度的指标，较高的端口隔离度可以避免天线出现交叉极化，是衡量正交极化天线性能的重要指标之一，其计算公式为

3 正交极化阵元设计方案

正交极化天线的性能要求：能够收发双极化波、具有较高的端口隔离度、较宽的工作频带、阻抗匹配。为满足收发正交极化波和实现脉间极化的结构要求，需基于传统交叉放置的电偶极子天线，重新设计天线的结构与馈电形式。

本文的设计基于正交排布的电偶极子方案，将一对正交放置的铜导线作为电偶极子，通过两路细双线分别为电偶极子馈电，结构如图2所示。这种结构的双极化天线具有空间紧凑、隔离度高的优势。天线的馈电结构既能传输平行双线的能量，也能通过转换器实现同轴线到辐射终端能量传输，馈电双线的长度可以根据实际情况进行调整，具有耦合以及阻抗匹配调节的功能。

图2 十字形电偶极子阵元结构模型

4 阵元结构优化

结合阵元的技术要求和正交放置电偶极子的设计方案，使用HFSS仿真软件建立阵元的模型。根据传输线理论，长度的传输线具有阻抗的变换性，配合阵元下方馈电网络的设计，可将天线的容性阻抗变换为感性阻抗，或进行相反的变换，以实现阻抗匹配，使天线的输入阻抗与馈线的特性阻抗接近，馈线中电磁波的传输接近行波状态。

由图1可知，电偶极子的方向图一般呈圆饼状，即在H面上，各个方向辐射的功率比较均匀，这就导致了阵元组成阵列时后瓣功率极大。为提高阵元的增益，同时使阵元辐射的功率进行向前传输，降低组阵后阵列天线的后瓣功率，在阵元水平放置平面下方的处加装反射板。图3从两个视角给出了阵元模型的结构。

图3 阵元模型结构图

在交叉电偶极子的实际应用中，因电偶极子中心处结构相对复杂，会对谐振频率产生一定影响，因此，在进行阵元结构的优化时，需综合考虑L2、L3、C1和H1的影响。本文选取与阵元性能密切相关的L2、C1和H1进行分析。

L2的长度直接影响到电偶极子的总长度和谐振频率，首先对L2进行参数扫描，求解其反射系数S11，得到结果如图4所示。

图4 L2参数扫频分析图

由上图可看出，L2长度取4.6mm时，阵元在10GHz达到谐振，此时电偶极子的总长度为11.2mm，出现这种情况的原因主要是电偶极子正交放置的方式和中间空隙的影响。

C1的取值要综合考虑工程实际和天线的带宽要求，取L2的值4.6mm，对C1进行参数扫描求解S11，结果如图5所示。

图5 C1参数扫频分析图

由上图可知，C1长为1.05mm时，阵元的S11值最小，即电偶极子的直径可取1.05mm，能够符合实际工程要求。

阵元反射板到电偶极子的距离H1的选取直接关系到整个阵元驻波比和方向图，为了使阵元的驻波比达到要求，反射板距离电偶极子不能过近，但是H1过大则会造成电偶极子辐射功率分散。在确定电偶极子的尺寸之后，对H1进行参数扫描分析，得到S11如图6所示。

图6 H1参数扫频分析图

可以看出，当H1为6.5mm时，阵元的S11值最小，根据式（5）可知此时天线的驻波比能够取最小值，后续只需仿真验证该距离能否产生实际需求的方向图。

按照天线理论，L2、C1和H1三个参数应当会对隔离度产生一定的影响，经扫频分析，上述参数产生变化时，S12和S21的变化呈现无序性，因此仅在参数优化后对其隔离度进行分析。

基于以上参数扫描和分析优化，天线的实际尺寸如表1所示，此时阵元的谐振点与工作频带基本重合，可以进一步讨论阵元其他的电参数。

表1 正交极化电偶极子尺寸

5 仿真结果及分析

将3节中所设计阵元进行仿真，仿真后得到的S参量结果如图7所示，工作频带选取（10±0.3）GHz，此时电偶极子达到了谐振。

图7 阵元S参量扫频分析图

对图7（a）进行分析，在工作频带内，单个电偶极子的回波损耗能控制在-16.5dB以下，工作频率在10GHz时，小于-21dB，说明当前电偶极子在回波损耗这一指标方面能够满足其作为相控阵天线阵元的需求；图7（b）中，工作频带内该组电偶极子的端口隔离度指标基本相同，曲线重合，随工作频率的增大递减，最小值为-76.2dB，此时产生交叉极化的功率值基本可以忽略不计，说明对称结构的设计能够有效降低交叉极化。

对阵元的驻波比进行扫频分析，结果如图8所示，两种极化状态下，在工作频带内的VSWR范围为1.1745-1.338，由于互耦的影响，工作频率在10GHz时，VSWR 的最小值为 1.1822（极化 1）和1.1745（极化2）。

图8 阵元驻波比扫频分析图

分别对不同极化的电偶极子激励，并合理设置边界条件，得到的二维辐射方向图除角度区别外，幅度基本相同，如图9所示，由图可看出天线E面和H面的波束均比较宽，加装的反射板降低了天线后瓣，主瓣最大增益为8.36dB，E面3dB波束宽度约为96°，H面3dB波束宽度约为60°，满足阵元的设计要求。

图9 阵元二维辐射方向图

经仿真验证，阵元两种极化的三维辐射方向图在z轴上的增益基本一致，形状如图9所示，仅在xoy平面上有90°的方向差别。

图10 阵元三维辐射方向图（极化1）

6 结语

电偶极子天线常用于阵列天线当中的阵元部分，本文在充分研究电偶极子天线工作原理的基础上，提出了一种能够实现脉间快速变极化的X波段电偶极子阵元模型。该天线由一组正交放置的电偶极子组成，加装反射板以优化天线的方向图。通过建模仿真，分析其驻波比和方向图等重点参数，验证了该阵元工作在9.7GHz～10.3GHz的适用性。该阵元设计方案可以在后续天线阵设计的工程实践中加以应用。