一種新型超寬帶緊耦合天線陣列設計

張 君，胡志慧，曲洪東

（1.海軍航空工程學院電子信息工程系，山東煙臺264001；2.陸軍航空兵學院，北京101123）

隨著艦載、機載、彈載武器系統的發展，迫切要求其雷達系統具有通信、導航、預警、電子對抗等多種功能。由于平臺空間有限，同時安裝多部雷達天線將非常困難，因而可在這些平臺上安裝超寬帶天線陣列。當采用Vivaldi 天線、對數周期天線等組成陣列時，由于其是一種行波天線，縱向尺寸較大，在安裝空間有限時難以滿足要求。當采用平面結構的蝴蝶結天線、螺旋天線等[1-3]組成陣列時，受單元間互耦以及天線背面金屬安裝平臺的影響，其阻抗帶寬會惡化。

近年，TCA 已被應用于超寬帶天線陣列設計[4-5]。不同于傳統超寬帶天線陣列，TCA利用單元間的強耦合來實現超寬帶與小型化。Munk 等[6]人最早設計了基于偶極子天線單元的TCA，在背面加接地板（Ground Plane，GP）時，阻抗帶寬可達4.5 ∶1，并在文獻[7]中證實，通過多層介質加載其阻抗帶寬可拓展為9 ∶1。Volakis 等[8-11]著重對矩形螺旋結構的TCA 進行了研究，實現了10 ∶1 阻抗帶寬。Moulder 等人[12]對TCA做了進一步研究，采用末端相互重疊的蝴蝶結天線單元設計了TCA，在介質加載時阻抗帶寬可達14.2 ∶1。國內這方面研究較少，楊仕文教授[13]設計了基于八邊形環狀結構的TCA，阻抗帶寬4.4 ∶1。

盡管TCA 可實現多個倍程的帶寬，但當與GP 之間的距離為其工作波長一半時會出現短路點，從而限制了其阻抗帶寬進一步拓展。針對這一問題，本文將柵格形阻性頻率選擇表面（Resistive Frequency Selective Surface，RFSS）與交指型偶極子天線單元相結合設計了一種新型多層結構的超寬帶TCA，采用CST對TCA加載與未加載柵格形RFSS時的阻抗帶寬進行了比較分析。該新型多層結構的TCA 可克服天線陣列短路點，具有超寬帶、體積小的特點，可廣泛應用于艦載、機載、彈載等超寬帶小型化共形相控陣天線中。

1 TCA的原理

TCA 是基于Wheeler 提出的電流面理論設計，可用緊耦合偶極子天線陣列來描述，見圖1 a），d為周期，h為天線陣列與GP 的距離。不同于傳統天線陣列，TCA 通過緊密地排列天線單元，使相鄰單元間產生很強的耦合電容C，每個天線單元等效為電感L，其等效電路見圖1 b），為其輸入阻抗，其中，η0=120πΩ 為自由空間波阻抗，為天線下側短路傳輸線的特性阻抗。其輸入阻抗相位及駐波系數見圖1 c），當時，單元間的強耦合電容C可與感性電抗ZGP相抵消，在2.1~9.5 GHz 頻率范圍內輸入阻抗相位在-40°～40°之間，其駐波系數小于2，阻抗帶寬為4.5 ∶1。

圖1 緊耦合偶極子天線陣列Fig.1 Tightly coupled dipole array

2 柵格形RFSS的設計

本文設計的柵格形RFSS 如圖2 a）所示，周期d=4.57 mm，距GP 高度h1=7.1 mm，柵格形電阻膜寬度w1=0.4 mm，方阻為Rs=33 Ω，基片采用RO4003，介電常數εr=3.38，厚度t1=0.508 mm，采用CST對柵格形RFSS 進行仿真分析，并與柵格形金屬型頻率選擇表面（Metal Frequency Selective Surface，MFSS）進行了比較，如圖2 b）所示，柵格形MFSS在整個頻帶內全反射，反射系數為1；柵格形RFSS 的反射系數會隨著隨頻率的改變而改變，在4~16.4 GHz頻率范圍內其反射系數均小于0.6，在10.6 GHz 時其反射系數最小。因此，柵格形RFSS可在很寬的頻帶內抑制GP的反射，從而用來改變天線與GP之間介質的傳輸特性。

圖2 柵格形RFSSFig.2 Grid RFSS

3 基于柵格形RFSS的TCA設計

基于柵格形RFSS 的TCA 天線單元見圖3 a），周期d=4.57 mm。采用偶極子天線，每個單元通過交指電容與相鄰單元耦合，離接地板高度h=14.2 mm，其結構如圖3 b）所示，天線蝕刻于RO4003基片上，厚度t=0.508 mm。柵格形RFSS 位于離接地板h1處，等效為由電阻R及電抗XF組成的并聯電路單元。Zin=jωL+1 (jωC)+ZGP//η0為 其 輸 入 阻 抗，其 中，ZGP=η0(1+Γ) (1-Γ)為加載RFSS 后天線單元下側的阻抗，Γ為柵格形RFSS 的反射系數，C為交指電容。TCA天線單元的等效電路見圖3 c）。

圖3 基于柵格形RFSS的TCAFig.3 TCA with grid RFSS

基于上述設計的10×10 陣列見圖4，整體尺寸為101 mm×101 mm×14 mm。

圖4 10×10 天線陣列Fig.4 10×10 antenna array

4 仿真結果與分析

為分析RFSS 對TCA 阻抗帶寬的影響，分別針對TCA在加載柵格形RFSS、加載柵格形MFSS及沒有任何加載時3 種不同情況進行了比較分析，其駐波系數及輸入阻抗的相位如圖5 a）、5 b）所示。

圖5 不同加載時TCA駐波系數及輸入阻抗相位Fig.5 VSWR and phase of TCA input impedance with different load

當TCA與GP之間沒有任何加載時，由圖5可知，TCA在10.6 GHz處天線陣列短路，在該頻點其駐波系數遠大于2，輸入阻抗相位產生突變，限制了TCA的阻抗帶寬。這是由于當h=λ2 時，由圖1 b）等效電路知，短路傳輸線的特性阻抗ZGP=0 ，TCA 在頻率f=c2h處短路。

當TCA與GP之間加載柵格形MFSS時，由圖5可知，柵格形MFSS 雖然能抑制TCA 在10.6 GHz 處短路，但在高頻段會出現短路點，其阻抗帶寬仍受到了限制，這是由于MFSS屬于金屬諧振結構超材料，只能在很窄的帶寬內抑制GP對天線的影響。

當TCA與GP之間加載柵格形RFSS后，由圖5可知，TCA在1.8~18.8 GHz頻率范圍內輸入阻抗相位在-40°～40° 之間，其駐波系數小于2，阻抗帶寬可達10.4 ∶1。這是由于加載柵格形RFSS 后，由圖3 c）知，受并聯電阻R的影響，其輸入阻抗相位在很寬的頻帶內變化較緩，并且由圖2 b）知，柵格形RFSS后可抑制GP的反射，避免TCA 在f=c2h處短路，因而可將其放置于TCA與GP之間來拓展TCA的阻抗帶寬。

5 結論

針對TCA由于GP影響其阻抗帶寬受到限制的問題，本文設計了一種新型多層結構的超寬帶TCA，該TCA 由交指型偶極子天線、柵格形RFSS 以及GP 組成，采用CST 對TCA 加載與未加載柵格形RFSS 時的阻抗帶寬進行了比較分析。仿真結果表明：未加載柵格形RFSS時，受GP的影響，TCA在10.6 GHz處短路，其最佳阻抗帶寬為4.5 ∶1（2.1~9.5 GHz）；加載柵格形RFSS后，TCA可克服天線短路點，其阻抗帶寬可達10.4 ∶1（1.8~18.8 GHz）。該新型多層結構的TCA 通過加載柵格形RFSS，克服了接地板影響，進一步拓展了其阻抗帶寬，在艦載、機載、彈載等超寬帶小型化共形相控陣天線中有廣闊應用前景。

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