高增益低副瓣X波段寬帶圓極化Vivaldi天線陣設計

吳文鶴，韋 高，趙文奇，李文廷

（西北工業大學 電子信息學院，陜西 西安 710129）

隨著現代電磁學的發展，高性能圓極化天線的應用愈加廣泛。圓極化天線具有旋向正交性，可與多種極化天線配合工作，且圓極化波入射到對稱目標時旋向逆轉。以上這些優勢使得圓極化天線具有較強的抗干擾性能，在電子偵察與干擾、通信和雷達的極化分集工作、移動通信與GPS等抑制雨霧干擾和抗多徑反射中得到了廣泛應用[1]。因此，近年來對圓極化天線的研究越來越廣泛，但是高增益低副瓣的寬帶圓極化天線比較少見。

Vivaldi天線具有高增益、寬頻帶、質量輕和易加工制作等優點，在通信系統中有著越來越廣泛的應用；應用文獻[2]的順序旋轉布陣方法可利用線極化單元組成圓極化陣列，且陣列天線較之單個天線來說，具有更高的增益。因此，本文以Vivaldi天線為單元，設計了一種2×2的小型旋轉對稱圓極化陣列，在整個X波段圓極化性能良好，軸比低于3 dB且方向圖對稱性良好。為了進一步提高增益降低副瓣，本文通過在天線單元上添加矩形柵欄和在陣列底部使用扼流環結構的方法，達到了10.7 dB的峰值增益和高于20 dB的前后比。相比于文獻[3]，該陣列方向圖的對稱性大大提高，增益前后比提高了5 dB以上，交叉極化隔離度也明顯改善。

1 天線單元設計

Vivaldi天線是一種寬頻帶、高增益的行波縫隙天線，1979年由Gibson提出[4]。Vivaldi天線有多種饋電形式，本文采用微帶線到槽線的耦合饋電結構，結構如圖1(a)所示。

Vivaldi天線的饋電巴倫采用微帶線到槽線的交叉耦合結構，能量從饋電的微帶線耦合到槽線的矩形部分，從交叉部分看進去，微帶線的扇形枝節起短路作用，槽線末端的圓形腔起開路作用，選擇適當的尺寸可以在很寬的頻帶內達到阻抗匹配。微帶線最細部分與矩形槽線特性阻抗相匹配，經由切比雪夫阻抗變換器變換至50 Ω與同軸線相接。輻射槽線采用指數曲線，表達式為

圖1 Vivaldi天線單元Fig. 1 Vivaldi antenna element

R為指數函數的漸變因子，決定天線的波束寬度。不同的工作頻點對應相應的 縫寬，槽線最寬處和最窄處分別對應最低和最高工作頻率的 ，因此可以根據槽線起點(X1, Y1)和終點(X2, Y2)的坐標和選定的R值來確定確定公式（1）中的C1和C2的值：

槽線兩側的矩形柵欄用來遏制電流回流，讓表面電流集中在槽線附近，矩形柵欄的不同長度對應不同頻率的λ/4，從而在寬頻帶內降低副瓣提高增益[5]。柵欄對天線增益的影響如圖1(b)所示，可見，在整個X波段，柵欄有效提高了天線增益。

本文所設計的天線采用厚度為0.787 mm的Rogers 5880介質基板，相對介電常數2.2，天線單元的各參數如圖1(a)所示。根據陣列天線理論，相鄰兩陣元間距不宜過大，因此，天線單元兩邊不完全對稱是為了在組陣時拉近相鄰陣元相位中心的距離。

2 圓極化天線陣設計

文獻[2]提供了一種用線極化單元組成圓極化陣列的順序旋轉布陣法，本文采用這種方法，利用線極化的Vivaldi天線產生圓極化波。4片Vivaldi天線單元組成十字形旋轉對稱結構，4個端口相位依次為0°、90°、180°、270°，同一平面上的兩片天線相位中心相距15 mm（10 GHz處的半波長），結構如圖2(a)所示。一個圓極化波可以分解為兩個在空間上和在時間上均正交的等幅線極化波。由此，實現圓極化的基本原理就是：產生兩個空間上正交的線極化電場分量，并使二者振幅相等，相位相差 90°。各天線單元旋轉正交放置，是為了產生兩個正交極化的波，不同的饋電相位則是為了滿足圓極化波所需的相位延遲。饋電網絡由購買的超寬帶反相器和90°移相器組成，原理如圖2(b)所示。

在天線陣的底部，添加了一個高度10 mm，半徑25 mm的一端開口的扼流環，與文獻[6-7]中的背腔結構類似，既能起到反射板的作用，又是一個諧振結構，把能量限制在腔體里，降低后向輻射，從而降低副瓣，由圖2(c)可以看出，此結構使天線陣的副瓣降低了6 dB以上。

文中采用電磁仿真軟件HFSS13.0對天線進行仿真并根據仿真模型制作了天線實物，如圖2(d)所示，饋電網絡的4個輸出端口與天線的4個饋電端口分別用四根等相位的同軸線相連。

3 仿真與實測結果分析

反射系數、軸比和增益的仿真與測試結果對比如圖3所示，可見，在整個X波段，4個端口反射系數均小于-10 dB且軸比低于3 dB，仿真增益在8.5 dB 和10.7 dB之間，測試增益略低于仿真結果。反射系數誤差主要是由加工誤差造成，而軸比和增益誤差則主要是由饋電網絡的損耗和相位誤差及測試誤差引起的。

曲線上有一些不平滑的點，在這些點處諧振Q值很高，但軸比和增益性能惡化，這是由于天線陣中心的空隙和槽線周圍的矩形柵欄引起了寄生諧振，有待進一步改進。

8 GHz和12 GHz處方向圖的仿真與測試結果如圖4所示，兩個正交主平面的方向圖基本重合且對稱性很好。半功率波瓣寬度的仿真值約為50°，測試值約為30°～ 40°。整個頻段內的增益前后比高于20 dB。

圖2 圓極化Vivaldi天線陣Fig. 2 Circularly polarized Vivaldi antenna array

圖3 天線陣反射系數、軸比、增益仿真與測試結果Fig. 3 Simulated and measured return loss, axial ratio and gain of the antenna array

圖4 天線陣方向圖仿真與測試結果Fig. 4 Simulated and measured radiation pattern of the antenna array

10 GHz 處主平面的軸比和交叉極化隨掃描角的變化如圖5所示。由于測試條件限制，這里只給出了交叉極化的仿真結果。由圖可以看出，在±20°掃描角范圍內，該頻點處的軸比低于3 dB 且交叉極化比高于15 dB。由于各天線單元的位置相互正交，單元間互耦遠低于傳統天線陣，因而這種陣列在主平面上的掃描角范圍要寬于傳統陣列[2]。

圖5 10GHz處軸比和方向圖隨掃描角的變化Fig. 5 Axial ratio and cross-polarization against scanning angle at 10GHz

4 結 論

文中設計了一種四端口正交饋電的十字形Vivaldi小型陣列，通過產生兩個空間和時間上正交的等幅線極化電場分量，形成圓極化波。在整個X波段內，圓極化性能理想且增益高、副瓣低，具有較寬的掃描角。由于以上優點，此天線陣在無線通信中有著廣泛的應用前景。

[1] Soliman E A,De Raedt W,Vandenbosch G A E.Circularly polarized slot antenna dual-fed with microstrip lines [J].Journal of Electromagnetic Waves and Applications,2008,22(16):2259-2267.

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[3] 許唐紅,張弘, 王東, 等. 高增益寬帶圓極化 Vivaldi 天線陣的設計[J].強激光與粒子束,2013, 25(3): 685-688.XU Tang-hong,ZHANG Hong,WANG Dong,et al.Design of wideband high-gain circularly polarized Vivaldi antenna array[J].High Power Laser and Particle Beams, 2013, 25(3): 685-688.

[4] Gibson P J.The vivaldi aerial[C]//Microwave Conference,1979.9th European. IEEE,1979:101-105.

[5] 李鶴言,李萍,蔣旭東.改進型 Vivaldi 天線[J].電子科技,2011,24(7):15-17 LI He-yan,LI Ping,JIANG Xu-dong.Modified Vivaldi Antenna[J].Electronic Sci.& Tech,2011,24(7):15-17.

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