高倍頻程超寬帶陣列天線設(shè)計(jì)綜述

符敏

摘 要 本文對高倍頻超寬帶陣列天線的特點(diǎn)和應(yīng)用背景進(jìn)行了概述，對國內(nèi)外超寬帶天線研究現(xiàn)狀進(jìn)行了調(diào)研。并以2GHz～12GHz超寬帶天線設(shè)計(jì)為例，探討了超寬帶天線需要重點(diǎn)攻關(guān)的技術(shù)難點(diǎn)，并針對后端鏈路設(shè)計(jì)中的注意事項(xiàng)提出了工程化建議。

關(guān)鍵詞 超寬帶 相控陣 天線

中圖分類號： TN822 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2016）05（C）-00

1.1引言

寬帶或超寬帶、高穩(wěn)定天線對提高現(xiàn)代雷達(dá)的性能以及研制新一代高性能雷達(dá)具有非常重要的意義。它不僅能夠增強(qiáng)雷達(dá)的抗干擾能力、雜波抑制能力和抗無線電輻射制導(dǎo)導(dǎo)彈、無人機(jī)及其他武器平臺的攻擊能力，且由于其相對帶寬較寬，可獲得更高的距離分辨率，實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)分辨和更高的測距精度，在雷達(dá)的一二維成像、目標(biāo)分類識別和低仰角跟蹤等方面都有重要作用。寬帶相控陣?yán)走_(dá)是當(dāng)前相控陣?yán)走_(dá)技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要方向，具有廣泛的應(yīng)用前景。

寬帶或超寬帶天線作為電磁能量發(fā)射和接收的窗口，對寬帶相控陣?yán)走_(dá)性能、研制成本等來說至關(guān)重要。在星載、球載、機(jī)載和艦載等平臺上，通常配備有不同頻段的天線用于實(shí)現(xiàn)通信、導(dǎo)航及電子偵察等功能，采用多功能寬帶或超寬帶陣列可以實(shí)現(xiàn)天線復(fù)用，大大減少天線數(shù)量、重量及其所占空間，對合理安排天線布局，有效降低不同頻段天線間的互擾具有重要的意義。

本文對超寬帶天線分類和國內(nèi)外研究現(xiàn)狀進(jìn)行了調(diào)研，并針對2GHz～12GHz超寬帶天線設(shè)計(jì)，提出需要重點(diǎn)攻關(guān)的技術(shù)難點(diǎn)，給出此種天線的后端設(shè)計(jì)方案。

1.2超寬帶天線分類及國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

超寬帶天線種類很多，早期寬帶天線是由傳統(tǒng)的窄帶天線通過變形、加載等方式演變成而來，例如由偶極子天線演變的雙錐天線、三角形偶極子天線，由單極天線演變來的盤錐天線、套筒天線等，以及由喇叭天線演變的寬帶TEM喇叭天線、加脊喇叭天線、波紋喇叭天線等。后來出現(xiàn)了一些非頻變天線，天線單元是周期性的自相似結(jié)構(gòu)，使得天線帶寬可以達(dá)到很寬，典型的就是各種螺旋天線和對數(shù)周期天線。超寬帶天線中另外一個(gè)大的系列是漸變槽線天線，不同的槽線寬度對應(yīng)不同的頻點(diǎn)決定了它的超寬帶特性，根據(jù)槽線的形狀有指數(shù)型，三角型，拋物線型，直線型和階梯型等，還有對踵型以及兔耳型的。

寬帶天線組陣時(shí)，為了避免出現(xiàn)柵瓣，要求單元間距不超過最高頻率對應(yīng)的半個(gè)波長（或略大于半個(gè)波長），此時(shí)天線間的距離對于低頻段的電長度來說很小，使得天線間的互耦很強(qiáng)，因此寬帶陣列并不是簡單的將寬帶天線單元直接排列分布就可以了，需要綜合優(yōu)化。雖然超寬帶天線的種類很多，鑒于尺寸、互耦、饋電等方面的考慮，適合進(jìn)行組陣的單元并不多，一般常用的有寬帶偶極子天線、對數(shù)周期天線、圓錐螺旋天線和漸變槽線天線等。

隨著天線技術(shù)的發(fā)展，國外在超寬帶陣列方面做了大量的理論研究和實(shí)驗(yàn)，設(shè)計(jì)了很多有價(jià)值的超寬帶陣列，如圖1（a）-（d）所示。哈里斯公司（Harris Corporation）利用電容耦合的偶極子實(shí)現(xiàn)了單極化和雙極化的超寬帶電流片陣列（Current Sheet Array， CSA），工作頻帶接近10：1。馬薩諸塞州大學(xué)針對超寬帶韋瓦爾第（Vivaldi）陣列開展了廣泛的研究，并設(shè)計(jì)出了帶寬超過10：1的Vivaldi陣列。此外，喬治亞技術(shù)研究中心（Georgia Tech Research Institute，GTRI）優(yōu)化設(shè)計(jì)了一種具有不規(guī)則分形結(jié)構(gòu)的碎片孔徑陣列（Fragmented Aperture），實(shí)測帶寬可達(dá)到33：1，且有望達(dá)到100：1。美國雷神（Raytheon）公司也研制了多種超寬帶陣列用于機(jī)載相控陣?yán)走_(dá)，Lee 等人提出了一種可以嵌在金屬載體內(nèi)部、具有低剖面特性的連續(xù)長槽寬帶陣列天線并研制了樣機(jī)，在200～2000MHz的頻段時(shí)陣列的厚度僅有8cm，大約是最低工作頻率對應(yīng)波長的5%左右，重量也控制得較好。

2005年，美國海軍研究實(shí)驗(yàn)室（Navy Research Laboratory，NRL）提出了一種超寬帶陣列結(jié)構(gòu)的概念，可大大減少超寬帶陣列的陣元數(shù)量。如圖9所示，這種結(jié)構(gòu)的中心是由常規(guī)寬帶陣元組成的一個(gè)均勻平面方陣，在與其共中心的方環(huán)上放置一定數(shù)量的陣元，從內(nèi)向外，方環(huán)的間距逐漸增大，方環(huán)上的陣元也逐漸增大（工作在更低的頻率），通過在不同頻段激勵(lì)不同的陣元來實(shí)現(xiàn)超寬帶陣列的頻率覆蓋。由于所需陣元種類較多和互耦連續(xù)性等問題，這一概念并不切合實(shí)際。隨后，NRL提出了波長比例縮放陣列（Wavelength-Scaled Array， WSA），可以用較少的陣元組建一個(gè)單獨(dú)的超寬帶陣列，實(shí)現(xiàn)8：1的帶寬，所需的陣元數(shù)為常規(guī)超寬帶陣列的16%，饋電網(wǎng)絡(luò)也相應(yīng)減少。NRL分別研究了由單極化（2.5-20GHz）和雙極化（6-48GHz）漸變開槽（Taper Slot Antenna， TSA）單元構(gòu)成的超寬帶二維陣列，并制作了樣件（圖3），驗(yàn)證了WSA可實(shí)現(xiàn)和傳統(tǒng)超寬帶陣列相近的性能。由于TSA陣元的極化純度不高，目前NRL正在著手研制適合于WSA的具有更高極化純度的超寬帶陣列天線。

國內(nèi)的學(xué)者和科研單位對寬帶天線及陣列也開展了廣泛的研究，工作主要集中在超寬帶天線陣元和陣列優(yōu)化等方面。研制了眾多的傳統(tǒng)超寬帶天線，如對數(shù)周期天線、倒錐天線、圓錐或平面螺旋天線、漸變開槽天線等及其組成的超寬帶陣列，西安電子科技大學(xué)、電子科技大學(xué)、北京理工、南京理工和東南大學(xué)等高校以及中國電子科技集團(tuán)、航天科技集團(tuán)和中船重工集團(tuán)等下屬研究所在寬帶天線和組陣的研究方面都取得了很多有價(jià)值的成果。電子科技大學(xué)對利用互耦機(jī)理的超寬帶陣列如交指型偶極子陣列開展了研究，并進(jìn)行了樣件測試（見圖4）。西安電子科技大學(xué)微波技術(shù)與天線國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室在超寬帶天線分析與設(shè)計(jì)、超寬帶非均勻陣列的優(yōu)化設(shè)計(jì)方面作了大量有意義的工作（見圖5）。

1.3超寬帶天線技術(shù)難點(diǎn)及后端鏈路設(shè)計(jì)

超寬帶天線在具體工程實(shí)現(xiàn)上會面臨駐波和效率等方面的技術(shù)難點(diǎn)。下面以2GHz～12GHz超寬帶天線為例，論述超寬帶天線的技術(shù)難點(diǎn)。根據(jù)前期在超寬帶天線技術(shù)方面的研究，針對所需2GHz～12GHz天線，考慮選擇vivaldi天線形式作為相控陣天線的輻射單元。考慮到天線輻射器帶寬、有源通道的設(shè)計(jì)等多方面的原因，通常天線輻射單元的工作頻段基本選擇為3：1的工作帶寬，而2GHz～12GHz工作帶寬達(dá)到6：1，對天線設(shè)計(jì)帶來的難度主要表現(xiàn)在天線輻射單元的間距設(shè)置上。天線輻射單元間距設(shè)置需要按照天線工作的高頻考慮，由此會造成天線單元的間距相對于工作頻率中的低頻段來說非常小，從而導(dǎo)致單元間的互耦非常大，會引起天線輻射單元低頻段的駐波較大，效率低等缺點(diǎn)。由于天線陣面的效率有嚴(yán)格的要求，因此對于具有6：1倍頻程的超寬帶天線來說，在工程設(shè)計(jì)上希望天線帶內(nèi)有源駐波小于2.5，這就對超寬帶天線設(shè)計(jì)提出了很高的要求。前期研究表明，解決帶內(nèi)駐波影響的途徑主要是采取天線參數(shù)優(yōu)化及去耦結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)高性能的超寬帶天線輻射單元，以滿足特定功能使用。

在工程實(shí)現(xiàn)上，超寬帶天線與傳統(tǒng)寬帶天線的后端鏈路相比也存在不同之處。考慮射頻鏈路中移相器的設(shè)計(jì)難度，需要將超寬的頻段劃分為兩段。仍以2GHz～12GHz超寬帶天線為例，其鏈路的射頻接收前端可選擇如下方案：

其具體頻段劃分可根據(jù)芯片設(shè)計(jì)水平確定，發(fā)射天線逆之。為保證系統(tǒng)的整體指標(biāo)，超寬帶天線的變頻通道等也需分高低頻段分別進(jìn)行通道均衡，根據(jù)功能需要進(jìn)行開關(guān)切換。其本振通道也可考慮一本振共用，采用開關(guān)方式進(jìn)行切換。

由于系統(tǒng)整體帶寬比較寬，天線的效率和有源鏈路中高頻部分的噪聲系數(shù)很難達(dá)到傳統(tǒng)天線的水平，在實(shí)際工程應(yīng)用中系統(tǒng)應(yīng)考慮留一定的設(shè)計(jì)余量。

1.4 結(jié)論

超寬帶天線以其低廉的成本、有限的資源需求和靈活的應(yīng)用方式獲得很多機(jī)載、星載雷達(dá)使用者的青睞，本文分析了其特點(diǎn)并對國內(nèi)外研究現(xiàn)狀進(jìn)行了調(diào)研，同時(shí)以2GHz～12GHz超寬帶天線設(shè)計(jì)為例，探討了超寬帶天線所面臨的技術(shù)難點(diǎn)和解決方案，并針對后端鏈路設(shè)計(jì)中的注意事項(xiàng)提出了工程化建議。

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