新型超寬帶雙極化天線設計

王亞偉 高向軍 朱莉

摘 要：本文設計了一種在3.2～18 GHz頻率范圍工作的超寬帶雙極化天線。 天線單元為雙開槽Vivaldi天線， 基于共形波紋邊緣的設計思想， 利用指數形槽縫波紋邊緣使雙開槽Vivaldi天線在與同尺寸傳統Vivaldi天線相近的帶寬內獲得了高增益等良好的輻射特性。 通過將兩個雙開槽Vivaldi天線正交放置， 實現了超寬帶雙極化天線的設計， 測試結果表明， 工作頻帶內的極化隔離度高于25 dB， 增益高于7 dB， 輻射特性良好。 與利用兩傳統Vivaldi天線實現雙極化相比， 避免了天線輻射結構的交叉， 降低了設計的復雜度。

關鍵詞： 雙極化天線; 雙開槽Vivaldi天線; 共形波紋邊緣; 超寬帶天線; 高增益

中圖分類號：TJ761.1+3; TN82文獻標識碼：A文章編號： 1673-5048（2018）05-0054-04[SQ0]

0 引言

雙極化天線是現代雷達提高電子對抗能力使用的重要天線類型之一， 雙極化天線的使用將很大程度上增強雷達對電磁波極化信息的獲取， 而極化信息的利用可以有效提高雷達的抗干擾、 目標檢測和識別能力[1]。 雙極化和超寬帶相結合， 意味著通信的高數據率、 高抗多徑衰減能力， 雷達的高分辨力、 低截獲概率、 高抗干擾能力， 以及定位系統的高精度。 雙極化天線包括單一天線雙模工作實現雙極化[2]和兩個單極化天線通過空間組合實現雙極化[3-5]兩種實現方式。 對于雙極化天線來說， 不同極化模式必須有相同的相位中心， 因為相位中心的偏移會導致較大的、 難以補償的系統誤差， 在利用兩個單極化天線構成雙極化輻射時需要特別強調。 雙極化天線要求兩種極化方式都有優良的工作性能， 同時相互之間保持較高的隔離度。 一般利用單一天線的正交模式或兩個單極化天線正交放置都可實現不同極化方式間的高隔離度。 文獻[2]中圓形縫隙正交模式間的隔離度大于35 dB。 文獻[3]利用兩個正交放置的Vivaldi天線實現了兩種極化方式間大于20 dB的隔離， 該實現方式中， 兩個Vivaldi天線的微帶線/槽線轉換結構存在重合， 并且需要破壞其中一個Vivaldi天線的圓形縫隙背腔， 結構較為復雜。

本文基于高增益雙開槽Vivaldi天線（Double-Slot Vivaldi Antenna， DSVA）和共形波紋邊緣（Conformal Corrugated Edge， CCE）設計了一超寬帶高增益DSVA。 將兩個超寬帶高增益DSVA正交放置， 設計了一種超寬帶雙極化天線， 與采用傳統Vivaldi天線（Conventional Vivaldi Antenna， CVA）正交放置實現超寬帶雙極化[3]相比， 本文設計的雙極化天線擁有更好的輻射特性。 此外， 在結構上避免了漸變槽線的重合， 降低了工程實現的復雜性。

天線設計過程中利用HFSS仿真軟件對天線性能進行計算， 加工所用介質板為聚四氟乙烯玻璃布板， 介電常數為2.65， 厚度為1 mm， 損耗角正切為0.001。

1 天線結構設計

DSVA的結構[6]如圖1（a）所示， 該結構的實現步驟為首先在保持尺寸不變的前提下將CVA轉換為E面二元陣結構; 其次減小二元陣中單元間相鄰輻射臂的長度。 利用圖1（a）中的結構參數建立DSVA的曲線方程如下：

對于CVA， 由于邊緣電流的影響， 低頻端的阻抗特性和輻射特性難以滿足設計要求。 常用的改善手段為在天線邊緣處采用波紋邊緣。文獻[7]提出了一種新的Vivaldi天線波紋邊緣設計思想——共形波紋邊緣， 基于此， 本文利用式（3）～（4）為DSVA設計了相應的指數形槽線波紋邊緣， 如圖1（b）所示。

對圖1中的天線進行優化計算， 確定天線的結構參數： 天線口徑寬度W為80 mm; 雙槽之間的距離Ws為40 mm; 槽線總長L為120 mm;中心輻射臂長度Ls為60 mm; 槽線起始寬度g為0.5 mm; 圓形槽線開路腔半徑Rc為4 mm; 天線槽線起始點至天線后端邊緣的距離Lb為25 mm; 指數形槽縫寬度wce為2.5 mm， 縱向長度tce為7.5 mm， 排列周期為2wce。

2 天線性能分析

2.1 雙開槽Vivaldi天線工作特性

文獻[6]對DSVA和CVA的性能進行了對比分析。 與同尺寸的CVA相比， DSVA擁有相近的端口匹配特性， 更好的高頻輻射特性， 主要體現在增益的提高和波束分裂現象的減少。 圖3給出了有無波紋邊緣的兩個DSVA及一個同尺寸CVA的端口反射系數、 輻射增益的對比結果。

可以看出， CCE改善了DSVA的端口匹配并實現了和同尺寸CVA近似的工作帶寬， 此外， CCE大大改善了DSVA的低頻輻射增益， 結合DSVA良好的高頻輻射特性， 擁有CCE的DSVA獲得了與同尺寸CVA相比全頻段范圍（3.2～18 GHz）內的增益提升。

2.2 超寬帶雙極化天線隔離特性

利用兩個DSVA， 按照圖2所示結構組合成為一個超寬帶雙極化天線。 在仿真軟件中對天線的端口特性進行計算， 圖4給出了超寬帶雙極化天線中兩個正交單元的端口反射系數及兩種極化模式間的隔離度。 可以看出， 兩天線單元的端口反射系數在3.2～18 GHz的頻率范圍內都小于-10 dB， 表明了兩種極化模式天線良好的端口特性。 此外， 兩種極化模式間的隔離度在3.2～18 GHz的頻率范圍內大于30 dB， 體現出了兩種極化模式的良好隔離。 這一結果說明設計的超寬帶雙極化天線擁有超寬帶和高隔離度的端口工作特性。

3 超寬帶雙極化天線加工與測試

在上述分析的基礎上， 對設計的超寬帶雙極化天線進行加工和測試， 天線實物如圖5所示。 利用矢量網絡分析儀對雙極化天線兩種極化模式端口的反射系數及其隔離系數進行了測試， 結果如圖6所示， 可以看出， 超寬帶雙極化天線的兩種極化模式在3.2～18 GHz的頻率范圍內端口增益都大于7 dB， 該結果與圖3（b）中的計算結果一致。 此外， 測試所得兩種極化模式間的隔離度在3.2～18 GHz的頻率范圍內大于25 dB。

圖7～8給出了超寬帶雙極化天線兩種極化模式分別在3.2 GHz， 9 GHz， 18 GHz處的E面和H面方向圖測試結果， 可以看出兩種極化模式方向圖間較好的一致性， 體現出超寬帶雙極化天線良好的輻射特性。 圖7給出了兩種極化輻射的輻射增益， 可以看出， 在3.2～18 GHz的頻率范圍內輻射增益大于7 dB， 最大達到約13 dB。

4 結論

本文設計了一款性能良好的超寬帶雙極化天線。 所用天線單元為雙開槽Vivaldi天線， 雙開槽

Vivaldi天線與同尺寸的傳統Vivaldi天線相比， 在相近的工作頻帶內能夠實現高頻輻射增益的提高。結合共形波紋邊緣結構， 雙開槽Vivaldi天線的低頻增益也得到了提高。 通過將兩個雙開槽Vivaldi天線正交放置， 設計了一種超寬帶雙極化天線， 在3.2～18 GHz頻率范圍內極化隔離超過25 dB， 增益超過7 dB， 方向圖特性良好。 與利用傳統Vivaldi天線正交放置實現雙極化相比， 避免了漸變槽線的交叉， 降低了設計的復雜度。

參考文獻：

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Design of a Novel Ultra Wideband Dual Polarization Antenna

Wang Yawei， Gao Xiangjun， Zhu Li

（School of Air and Missile Defense， Air Force Engineering University， Xian 710051， China）

Abstract： A novel ultra wideband dual polarization antenna with the operating frequency range of 3.2～18 GHz is designed. The element is the double slot Vivaldi antenna.Based on the concept of conformal corrugated edge， the double slot Vivaldi antenna with corrugated edges is designed. Compared with the typical Vivaldi antenna with the same size， the designed double slot Vivaldi antenna has similar operating band but improves gain. A dual polarization antenna can be realized by putting two double slot Vivaldi antennas vertically cross each other. In the operating band， the dual polarization antenna has its polarization isolation more than 25 dB and its gain more than 7 dB. Compared with a dual polarization antenna constructed by two conventional Vivaldi antennas using the same method， intersection between the tapered slots is avoided in the proposed dual polarization antenna， which will significantly simplify the design procedure.

Key words：dual polarization antenna; double slot Vivaldi antenna; conformal corrugated edge; ultra wideband antenna; high gain