超寬帶Vivaldi陣列天線設計

袁 晶 王元源 華根瑞

(西安電子工程研究所 西安 710100)

1 引言

超寬帶(Ultra Wide-Band，UWB)技術起源于二十世紀五十年代末［1，2］，上世紀六十年代就已經出現了有關UWB的發射機和接收機技術。近年來，信號處理、半導體固態器件的超寬帶技術的發展迅猛，使得寬帶、超寬帶系統進一步走入工程化。超寬帶技術具有抗干擾能力強，保密性好等諸多優勢，在通信與雷達領域得到日益廣泛的應用。而作為UWB系統關鍵設備的超寬帶天線，其功能應用、設計方法及制造工藝均已成為國內外研究的熱點。

此外，為了應對未來戰場日益惡劣的復雜電磁環境，同時降低電子系統的體積與重量，今后的趨勢是在各類軍用載體平臺上實現雷達、電子戰、通信、導航定位等多項功能的集成融合，即綜合射頻的概念。而實現該目標的核心技術就是天線孔徑的綜合設計，為了能實現天線的孔徑共享，覆蓋雷達、電子戰、通信和導航等多波段的超寬帶陣列天線技術將是重要的研究基礎。因此，超寬帶陣列天線技術有著十分寬廣的應用前景。

基于以上需求，本文設計并加工了一維超寬帶陣列天線，其輻射單元采用錐形漸變開槽輻射器［3～6］(Vivaldi天線)。通過在陣中優化參數使單個天線單元在6～18GHz頻帶內擁有良好的駐波特性，同時其口徑尺寸小于高頻端波長。整個陣列經由阻抗漸變的微帶功分器［7］級聯饋電，在6～18GHz頻帶范圍內不但駐波比小于2.1，并且表現出優良的輻射特性。

2 工作原理與設計

2.1 天線單元設計

超寬帶陣列采用Vivaldi天線作為陣列單元，Vivaldi天線是一種非周期、漸變的行波天線，它由呈指數規律變化的槽線構成，將介質板上的槽線寬度逐漸加大，形成喇叭口向外輻射或向內接收電磁波。對于某一工作頻率，只有槽線寬度與波長接近的區域才能向空間形成有效的輻射，當工作頻率發生變化，其輻射區域也相應變化，且輻射區域槽線的寬度與輻射的波長成比例。由于在不同工作頻率下，Vivaldi天線的電尺寸始終保持不變，因此其具有寬頻帶特性，理論上可以達到無限大帶寬。除此之外，Vivaldi天線副瓣低，增益適中，波束寬度可調，并且為微帶結構，尺寸小，成本低，結構簡單易于加工，十分適合應用于印刷電路中，作為超寬帶陣列單元具有良好的性能。

由于Vivaldi天線單元間沿電場極化方向隔離度較低，耦合對單元駐波影響十分明顯，尤其是在較低頻段。因此，在設計單元時需要將其置于陣列環境中進行參數優化，以達到拓展低頻端帶寬的目的。

圖1 天線輻射單元

圖1所示是在HFSS軟件下建立的陣列仿真模型，陣中輻射單元數量為8個，單元間距為15mm，PCB板材采用聚四氟乙烯玻璃布板，介電常數2.2，厚度為0.78mm。為了改善輻射單元的邊緣效應，降低單元駐波，提高天線陣整體性能，需要在陣列邊緣各寄生一個非輻射單元。在工作帶寬內，波長滿足 λ18GHz＜ λ ＜ λ6GHz，其中，λ18GHz=16.7mm，λ6GHz=50mm。由于陣中單元間距僅為15mm，小于高頻端波長，因此，在法向輻射時，全頻段方向圖不會出現柵瓣。此外，單元間距僅為最大波長的0.3倍，天線陣列具備在低頻段進行寬角掃描的能力。

考慮到陣中單元口徑受限(僅為最大波長的0.3倍)，單個天線無法達到低頻段(6～8GHz)駐波小于2.5的要求。組陣后，由于沿天線極化方向的互耦增強(相鄰單元耦合系數約為14dB);同時，沿介質基板的表面波也對耦合產生顯著影響。耦合能量的引入可有效抵消低頻段回波反射，從而起到在全頻段內改善駐波，提高陣列性能的作用。

2.2 饋電網絡

饋電層由多級漸變線功分器［7］構成。圖2所示為微帶饋電網絡的仿真模型，其輸出端口特性阻抗為50Ω。采用連續阻抗漸變線構成，通過調節各級聯功分拐角的角度、線寬及長度，達到改善整個網絡駐波的目標。圖3(a)為全頻帶內饋電網絡的駐波特性曲線，除在15～16GHz駐波比達到1.3以外，其他頻段駐波比均在1.2以下。圖3(b)則給出了漸變饋電網絡的插損，可知隨著工作頻率的升高，網絡的損耗大幅增加，分別為在6～12GHz頻帶內小于1dB，12～18GHz頻帶內小于2.4dB。由上可知，饋電網絡能夠滿足對超寬帶陣列的饋電要求。

3 仿真分析

陣列的輻射層由8個Vivaldi天線單元沿電場極化方向并排組成，通過在其兩端寄生非輻射單元，可以為陣內的輻射單元提供相似的邊界條件，從而使其駐波特性趨于一致，圖4(a)所示為在陣列環境中，單個天線單元的仿真駐波曲線，可見其VSWR≤2。圖4(b)則給出了連接功分網絡后的總端口駐波仿真曲線，結果表明陣列在全頻帶的駐波≤2.2。

圖4 天線陣列輸入電壓駐波仿真曲線

圖5給出天線陣列在連接饋電網絡情況下的E面仿真方向圖，其高中低三個頻點的方向圖指標在表1中列出。由仿真方向圖可以看出所設計的Vivaldi天線陣在全頻帶內均具有規則且良好的輻射方向圖。

圖5 天線陣列E面方向圖仿真曲線

表1 超寬帶陣列天線仿真結果

4 實測數據與分析

根據仿真分析結果進行了原理試驗件的加工，加工天線的實物如圖6所示。并在6～18GHz全頻帶內對陣列輸入端口的電壓駐波比以及遠場輻射方向圖進行了詳細測試。

圖6 超寬帶陣列天線實物圖

天線陣中心頻率為12GHz，通過軟件仿真結果可知在6GHz～18GHz的頻段范圍內，天線輸入端的電壓駐波比(VSWR)＜2.2。圖7中給出了電壓駐波比的實際測試結果，由測試結果可知，陣列在全頻帶內的駐波比＜2.1。

對天線方向圖的測試選擇6～18GHz頻帶內的整數頻率點，頻率間隔1GHz，共測量了13個頻點的數據。對于一維線陣，圖8給出沿天線極化方向的E面方向圖。

圖9中對高中低三個頻點(6GHz、12GHz、18GHz)的天線仿真與實測方向圖進行了對比，結果表明二者吻合良好，仿真結果可靠。從圖中可以看出，天線在各頻點處的主瓣與鄰近副瓣的測試結果與仿真曲線基本重合，天線陣在全頻帶內具備良好的輻射性能。

圖9 E面仿真與實測天線方向圖

圖10中為天線在全頻帶內的軟件仿真增益值與實測增益值曲線，從圖中可以看出，測試結果與仿真結果趨勢相同，在高頻端(15GHz～18GHz)隨著遠區旁瓣的逐漸升高，以及饋電網絡損耗、接頭損耗的迅速增大，天線增益較頻帶中心區域(10～14GHz)出現明顯的下降，這與饋電網絡的仿真結果十分吻合。由此可見，對于Vivaldi超寬帶陣列而言，高頻端的網絡損耗對天線增益具有至關重要的影響，因此，在大型相控陣中應用此類天線時，一維無源子陣的單元數目應盡量不超過8個。

圖10 仿真與實測天線增益曲線

5 結論

本文針對超寬帶系統的應用需求，設計并加工了覆蓋6～18GHz的Vivaldi超寬帶陣列天線，選用微帶漸變線功分器以及寄生單元的方案有效降低了陣列的駐波。實測數據與仿真結果吻合良好，實測結果表明天線陣列在6～18GHz的頻帶范圍內具有良好的駐波與輻射特性。陣中單元間距小于高頻端波長，可應用于大角度掃描的相控陣中。此外，本天線在超寬帶多功能系統中應用廣泛，通過采用十字交叉放置可以在極寬頻帶內實現雙極化或多極化。在電子對抗、無源探測、穿墻雷達、綜合射頻孔徑方面有重要的應用前景。并且制造成本低廉，易于實現小型化與低剖面。與國外研究成果相比，本課題在天線低頻端拓展、單元小型化以及多極化研究方面仍有進一步提升的空間。

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