X波段正交極化電偶極子天線陣元的設計?

（海軍航空大學青島校區 青島 266041）

1 引言

正交極化天線是指能夠發射或接收兩個極化正交的電磁波的天線，是實現極化分集雷達的技術基礎，極化的不同會使目標對電磁波產生的響應有所不同。極化信息的充分利用可以為雷達系統削弱惡劣電磁環境影響，對于有源干擾、抑制環境雜波、反隱身和識別目標等方面，可提供頗具潛力的技術途徑，并有效提高雷達的性能。具有正交極化輻射能力和極化信息鑒別的雷達系統逐漸成為當前雷達技術發展的重要方向之一，而正交極化天線是雷達能夠實現以上技術的基礎。

天線實現正交極化的方式有很多種，如天線結構重構、饋電線路重構等，均是通過改變機械結構的方法改變天線的極化特性。本文以正交極化天線陣的陣元為研究對象，設計了一種具有正交極化功能的電偶極子陣元，通過波控系統對正交放置的電偶極子天線分別饋電，實現高速脈間變極化。按照設計思路，采用HFSS仿真軟件進行建模仿真，獲取陣元的電參數并進行優化。

2 正交電偶極子天線電參數

電偶極子天線又稱對稱振子天線，具有體積小、成本低、便于集成的特點，適用于機載平臺上的雷達陣列天線，是比較常用的基本陣元形式。天線由兩根粗細均勻、長度相同的金屬直導線組成，饋電端在中間端口處，導線之間的饋電端口間距較小，長度可以忽略不計。最常用的對稱振子天線為半波振子，兩根導體的長度為四分之一個波長。正交電偶極子陣元天線由兩對電偶極子通過正交方式排列組成，因結構特性有所改變，陣元的饋電方式也會產生一定的變化，同時影響整個陣元的輻射特性。

2.1 輻射場及方向圖

按照分時極化的觀測方法對正交電偶極子進行分析，可將其視為兩組獨立的電偶極子，分析一組后，可通過對偶的原則，獲取兩組電偶極子的輻射特性。一組電偶極子天線的場強方向函數為

上式中，θ為yoz平面上以o為原點的射線與z軸的夾角，φ為xoy平面上以o為原點的射線與x軸的夾角。

電偶極子的方向圖如圖1所示。

圖1 電偶極子方向圖

根據天線理論，半波振子總長度一般為波長的一半，但在實際工程當中，為了使天線的電抗為零，需要天線兩臂的長度比半波長略短。

2.2 S參量

正交電偶極子陣元有兩個饋電端口和兩個輻射端口，因此可以將其等效為四端口網絡進行分析，分別為饋電端口1、2和輻射端口3、4。散射（S）參量對入射波、反射波和整個網絡性能的定義比較直觀，通過矢量網絡分析儀可直接測量，因此常作為網絡分析的重點參量。

四端口的S參量矩陣定義如下：

上式中，[V+]是歸一化入射電壓波矩陣，[V-]是歸一化反射電壓波矩陣。

由式（2）可以看出，S參量矩陣的每個陣元都是對應端口反射波電壓和入射波電壓的比值。在天線中，決定其主要性能的電參數均可由S參量求出。

2.3 輸入阻抗和駐波比

天線與饋線的連接處是天線的饋電端口，也稱為天線的輸入端，天線的輸入阻抗即輸入端處的等效阻抗，計算式為

式中，Pin為天線輸入功率，Vin和Iin為天線輸入端電壓和電流，Rin為輸入電阻，Xin為輸入電抗。

一般天線的結構比較復雜，難以獲得天線輸入端和表面的電流，采用式（3）難以算出天線輸入阻抗，一般采用天線的S參量計算，在仿真和實驗條件下，天線的輸入阻抗為50Ω。

實際工程當中，完全的阻抗匹配難以實現，一般用S參量計算出回波損耗和駐波比等參數進行分析和衡量。對應關系如下：

上式中，RL為天線的回波損耗，VSWR為天線的駐波比，S11即為1端口（極化1）的反射系數，若分析2端口的回波損耗和駐波比，可將S22代入上式計算。

2.4 端口隔離度

在天線等效的二端口網絡中，S12和S21的物理意義是不同端口間的反向傳輸系數，因此在天線中，可以作為饋電端口隔離度的指標，較高的端口隔離度可以避免天線出現交叉極化，是衡量正交極化天線性能的重要指標之一，其計算公式為

3 正交極化陣元設計方案

正交極化天線的性能要求：能夠收發雙極化波、具有較高的端口隔離度、較寬的工作頻帶、阻抗匹配。為滿足收發正交極化波和實現脈間極化的結構要求，需基于傳統交叉放置的電偶極子天線，重新設計天線的結構與饋電形式。

本文的設計基于正交排布的電偶極子方案，將一對正交放置的銅導線作為電偶極子，通過兩路細雙線分別為電偶極子饋電，結構如圖2所示。這種結構的雙極化天線具有空間緊湊、隔離度高的優勢。天線的饋電結構既能傳輸平行雙線的能量，也能通過轉換器實現同軸線到輻射終端能量傳輸，饋電雙線的長度可以根據實際情況進行調整，具有耦合以及阻抗匹配調節的功能。

圖2 十字形電偶極子陣元結構模型

4 陣元結構優化

結合陣元的技術要求和正交放置電偶極子的設計方案，使用HFSS仿真軟件建立陣元的模型。根據傳輸線理論，長度的傳輸線具有阻抗的變換性，配合陣元下方饋電網絡的設計，可將天線的容性阻抗變換為感性阻抗，或進行相反的變換，以實現阻抗匹配，使天線的輸入阻抗與饋線的特性阻抗接近，饋線中電磁波的傳輸接近行波狀態。

由圖1可知，電偶極子的方向圖一般呈圓餅狀，即在H面上，各個方向輻射的功率比較均勻，這就導致了陣元組成陣列時后瓣功率極大。為提高陣元的增益，同時使陣元輻射的功率進行向前傳輸，降低組陣后陣列天線的后瓣功率，在陣元水平放置平面下方的處加裝反射板。圖3從兩個視角給出了陣元模型的結構。

圖3 陣元模型結構圖

在交叉電偶極子的實際應用中，因電偶極子中心處結構相對復雜，會對諧振頻率產生一定影響，因此，在進行陣元結構的優化時，需綜合考慮L2、L3、C1和H1的影響。本文選取與陣元性能密切相關的L2、C1和H1進行分析。

L2的長度直接影響到電偶極子的總長度和諧振頻率，首先對L2進行參數掃描，求解其反射系數S11，得到結果如圖4所示。

圖4 L2參數掃頻分析圖

由上圖可看出，L2長度取4.6mm時，陣元在10GHz達到諧振，此時電偶極子的總長度為11.2mm，出現這種情況的原因主要是電偶極子正交放置的方式和中間空隙的影響。

C1的取值要綜合考慮工程實際和天線的帶寬要求，取L2的值4.6mm，對C1進行參數掃描求解S11，結果如圖5所示。

圖5 C1參數掃頻分析圖

由上圖可知，C1長為1.05mm時，陣元的S11值最小，即電偶極子的直徑可取1.05mm，能夠符合實際工程要求。

陣元反射板到電偶極子的距離H1的選取直接關系到整個陣元駐波比和方向圖，為了使陣元的駐波比達到要求，反射板距離電偶極子不能過近，但是H1過大則會造成電偶極子輻射功率分散。在確定電偶極子的尺寸之后，對H1進行參數掃描分析，得到S11如圖6所示。

圖6 H1參數掃頻分析圖

可以看出，當H1為6.5mm時，陣元的S11值最小，根據式（5）可知此時天線的駐波比能夠取最小值，后續只需仿真驗證該距離能否產生實際需求的方向圖。

按照天線理論，L2、C1和H1三個參數應當會對隔離度產生一定的影響，經掃頻分析，上述參數產生變化時，S12和S21的變化呈現無序性，因此僅在參數優化后對其隔離度進行分析。

基于以上參數掃描和分析優化，天線的實際尺寸如表1所示，此時陣元的諧振點與工作頻帶基本重合，可以進一步討論陣元其他的電參數。

表1 正交極化電偶極子尺寸

5 仿真結果及分析

將3節中所設計陣元進行仿真，仿真后得到的S參量結果如圖7所示，工作頻帶選取（10±0.3）GHz，此時電偶極子達到了諧振。

圖7 陣元S參量掃頻分析圖

對圖7（a）進行分析，在工作頻帶內，單個電偶極子的回波損耗能控制在-16.5dB以下，工作頻率在10GHz時，小于-21dB，說明當前電偶極子在回波損耗這一指標方面能夠滿足其作為相控陣天線陣元的需求；圖7（b）中，工作頻帶內該組電偶極子的端口隔離度指標基本相同，曲線重合，隨工作頻率的增大遞減，最小值為-76.2dB，此時產生交叉極化的功率值基本可以忽略不計，說明對稱結構的設計能夠有效降低交叉極化。

對陣元的駐波比進行掃頻分析，結果如圖8所示，兩種極化狀態下，在工作頻帶內的VSWR范圍為1.1745-1.338，由于互耦的影響，工作頻率在10GHz時，VSWR 的最小值為 1.1822（極化 1）和1.1745（極化2）。

圖8 陣元駐波比掃頻分析圖

分別對不同極化的電偶極子激勵，并合理設置邊界條件，得到的二維輻射方向圖除角度區別外，幅度基本相同，如圖9所示，由圖可看出天線E面和H面的波束均比較寬，加裝的反射板降低了天線后瓣，主瓣最大增益為8.36dB，E面3dB波束寬度約為96°，H面3dB波束寬度約為60°，滿足陣元的設計要求。

圖9 陣元二維輻射方向圖

經仿真驗證，陣元兩種極化的三維輻射方向圖在z軸上的增益基本一致，形狀如圖9所示，僅在xoy平面上有90°的方向差別。

圖10 陣元三維輻射方向圖（極化1）

6 結語

電偶極子天線常用于陣列天線當中的陣元部分，本文在充分研究電偶極子天線工作原理的基礎上，提出了一種能夠實現脈間快速變極化的X波段電偶極子陣元模型。該天線由一組正交放置的電偶極子組成，加裝反射板以優化天線的方向圖。通過建模仿真，分析其駐波比和方向圖等重點參數，驗證了該陣元工作在9.7GHz～10.3GHz的適用性。該陣元設計方案可以在后續天線陣設計的工程實踐中加以應用。