基于緊耦合超寬帶陣列天線設計

李寧 王元源 廖原

摘 要：為了滿足未來雷達多功能、多任務的戰場需求，本文設計并制造了一種基于緊耦合的超寬帶天線，頻帶覆蓋6～18GHz。該天線具有超寬頻帶、剖面低、易共形等特點。仿真設計表明該陣列天線在超寬頻帶內駐波低于2.1。

關鍵詞：緊耦合 超寬帶 仿真分析

中圖分類號：TN820 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2018）10（a）-0080-02

隨著現代雷達技術的發展，現代戰爭中單一雷達或者單一武器已經無法形成對敵方的有效壓制。倘若只是將原有的技術設備進行簡單疊加，一是很難實現壓制對方；二是疊加的武器系統很難避免互相的干擾；三是疊加的武器系統必然帶來資源的浪費。傳統的單功能雷達天線，其工作帶寬一般控制在百分之十幾左右。為了提高天線的帶寬，相控陣雷達出現在人們的視野里，但其拓展阻抗帶寬的方式局限于增加陣列單元來拓展帶寬。增加天線單元時需要抑制單元間的互耦，這就要求天線單元間的間距要擴大，或者在天線單元間引入抑制互耦的結構。間距的擴大必然使相控陣的體積增大，這不利于后期相控陣的整形；加入抑制互耦的結構必然增加相控陣的復雜度。這兩種方式并不利于相控陣的小型化，并且依據該設計方式設計的天線陣列效率并不高。

基于傳統相控陣設計的不利點，本文提出一種基于緊耦合的天線設計方式。該方法通過引入相鄰單元間的耦合電容來抵消地板所引起的感性效應。由于緊耦合思想是為了引入單元間的耦合，單元間的距離可以做到很小；其次，引入的耦合電容抵消掉地板的感性效應，天線的阻抗帶寬可以得到很大提升，從而實現超寬頻帶的帶寬。且該類天線具有截面小、剖面低、RCS小等特點。針對該類基于緊耦合的相控陣優良特性展開深入研究，對展寬相控陣雷達天線帶寬有著重要意義，同時對實現未來雷達多功能、多任務的戰場需求有著指導意義。

1 工作原理與設計

1.1 緊耦合天線原理

緊耦合天線原理最早可以追溯到Wheeler提出的理想電流片（current sheet array）模型。利用Wheeler的電流片模型理論可推導出無限周期互聯的短偶極子陣的帶寬接近理論值。但該理想模型無法再在實際環境中實現。陣列無限大可以通過將陣列做得足夠大解決，但是理想空間在現實中無法模擬。幾乎所有的陣列天線在應用時都需要有一個背腔接地板，來屏蔽后端饋電網絡對陣列天線的影響并使波束只在上半區域掃描。地板的引入使得輻射阻抗在低頻點呈現強感性，這是由于此時天線陣列與地板呈現短路所致。而為了拓展帶寬這種感性效應必須得到補償。基于此，Munk通過引入單元間耦合電容以抵消地板引起的感性效應。

1.2 超寬帶巴倫

巴倫（balun）即非平衡平衡轉換器。巴倫的作用體現在兩方面：一是完成非平衡信號到平衡信號的轉變；二是實現與饋電端口的阻抗匹配。最典型的Marchand巴倫由微帶耦合線組成，非平衡信號由前端四分一波長微帶耦合線輸入，在兩段相同長度的微帶耦合線作用下，平衡信號由后端平衡端口輸出。

本文旨在盡量不改變原天線結構的同時加入巴倫結構，從而進一步展寬頻帶。原理圖如圖1所示。

巴倫結構可以看作開路支節和短路支節。在只考慮最優的情況下，開路支節的阻抗應很小（小于20Ω）、短路支節阻抗應盡量大（大于100Ω）、饋線阻抗也應盡量大（大于100Ω）。理想情況下帶寬可以達到6倍頻至7倍頻[5]。但是需要的精度非常高，低成本的PCB技術無法滿足該精度。在毫米波頻段，用PCB技術來制造一個阻抗覆蓋區間大的巴倫結構較困難。微帶線可以提供較大的阻抗，但是很難通過微帶線來實現小的阻抗；若使用帶狀線，那么在輸入口的線寬又非常小，單獨運用微帶線或者帶狀線很難實現較寬的阻抗帶寬。本文為了實現較寬頻帶內的阻抗匹配，將微帶線和帶狀線結合使用，這樣同時可以實現100Ω到20Ω的阻抗變換，可以同時滿足開路支節較小的阻抗（20Ω）及較大的饋線阻抗（100Ω）。結構如圖2所示左側為微帶線，通過介質板打孔，與下層右側帶狀線相連（帶狀線上下地未標出）。

1.3 天線結構

天線單元如圖3所示，由介質板、偶極子、巴倫、用于引入單元間耦合電容的金屬片組成。天線由兩層PCB板組成，兩層PCB板子由半固化片連接。

2 仿真分析

仿真分析通過加入二維周期邊界條件來模擬陣列仿真，在加入由微帶線和帶狀線組成的巴倫之后，頻帶覆蓋6～18GHz。除低頻點駐波在2.1，其他頻帶均滿足駐波低于2。

3 結語

本文針對未來雷達多功能多任務的需求，設計仿真了頻帶覆蓋6～18GHz的超寬帶陣列天線單元。仿真結果顯示：在頻帶內駐波低于2.1，除低頻點較高外，其他頻帶可滿足駐波低于2的要求。

參考文獻

[1] BA Munk.“Broadband Wire Arrays，” in Finite AntennaArrays and FSS[M].Wiley-IEEE Press，2003：181-213.

[2] 米大偉.超寬帶緊耦合相控陣研究[D].西安電子科技大學，2015.

[3] Jonathan P.Doane，Kubilay Sertel，Senior ，and John .Volakis.A Wideband，Wide Scanning Tightly Coupled ipole Array With Integrated Balun（TCDA-IB）[J].IEEE Transactions on Antennas and Propagati-on，2013，61（9）：4538-4548.

[4] 戴永勝，李旭，宋丹.基于LTCC技術超小型寬帶巴倫的設計與實現[J].微波學報，2014，30（1）：51-54.

[5] Markus H.Novak ，Félix A.Miranda，JohnL.Volakis Ultra-wideband phased array for small satellite communications.[J].IET Microwaves，Antennas & Propagation，2017，11（9）：1234-1240.

[6] 袁晶，王元源，華根瑞.超寬帶Vivaldi陣列天線設計[J].火控雷達技術，2012，41（4）：81-82.