一种宽带宽角双极化相控阵天线单元研究

A Antenna Element for Dualpolarized Wideband Wideangle Phased Array
2 2 YU Daqun1 ， WU Hongchao1 ， HE Bingfa1， ， ZHU Ruiping1，
（ 1． Nanjing Research Institute of Electronics Technology， Nanjing 210039 ，China） （ 2． National Key Laboratory of Antenna and Microwave Technology， Nanjing 210013 ，China）
阵中单元波瓣测量 在微波暗室内， 对阵列样机的中心双极化单元的
阵中辐射波瓣进行测量， 测试平台如图 9 所示搭建， 除 其他所有单 阵中被测单元接发射（ 也可以作接收 ） 外， 元接匹配负载。图 10 ～ 图 11 给出了水平极化单元在 12． 0 GHz、 18． 0 GHz 的 H 面和 E 面的 频点 6． 0 GHz、
第 33 卷 第 11 期 2011 年 11 月
现代雷达 Modern Radar 中图分类号： TN82 文献标志码： A
Vol． 33 No． 11 Nov． 2011 文章编号： 1004－7859 （ 2011 ） 11－0059－04
·天馈伺系统·
一种宽带宽角双极化相控阵天线单元研究
1 1 1， 2 1， 2 于大群 ， 吴鸿超 ， 何丙发 ， 朱瑞平
图4
Vivaldi 天线单元与金属匹配柱实物
在 HFSS11． 0 中建立双极化单元模型， 在周期边 界条件下进行仿真优化， 阵中双极化单元 2 个激励端 口法线方向的驻波曲线如图 5 所示， 从仿真结果中可 ， Vivaldi 以看出 本文设计的双极化 天线单元的驻波带 宽达到了 3 倍频程以上。
［5 ］
2
2． 1
双极化 Vivaldi 天线阵列测量
双极化 Vivaldi 天线阵列样机 加工 81 点（ 9 ×9 ） 双极化天线阵列样机， 对阵列的
， 这就给双极化 Vivaldi
中心单元的有源驻波和阵中单元波瓣进行测试 ， 带金 属匹配柱的双极化天线阵列样机如图 6 所示。
·天馈伺系统·
于大群， 等： 一种宽带宽角双极化相控阵天线单元研究
图7
M
阵中单元有源驻波测试框图
N －j（ p －m） kd xsinθ ocoso
波瓣图， 可以看出， 该双极化天线单元在 6 GHz ～ 18 GHz 带宽内具有良好的辐射性能。
Γmn（ θo ， o ） ≈ Σ Σ Smn， pq e
p = 1q = 1
e －j（ q －n） kdysinθosino （ 1）
图9
阵中单元辐射波瓣测试框图
图 10
阵中心水平极化单元辐射波瓣（ H 面）
— 61 —
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现代雷达
图 11
阵中心水平极化单元辐射波瓣（ E 面） ［ 3］ Lee K F，Chen W． Advanced in microstrip and printed antennas［ M］ ． New York： Wiley Interscience， 1997． ［ 4］ 任 波， 吴鸿超， 朱瑞平， 等． 渐变槽线天线的参数分析 J］ ． 现代雷达， 2010 ， 32 （ 11 ） ： 58－62． 与设计［ Ren Bo，Wu Hongchao，Zhu Ruiping，et al． Analysis and design of parameters in tapered slot antenna［J］ ． Modern Radar， 2010 ， 32 （ 11 ） ： 58－62． ［ 5］ Frank B G． Frontiers in antennas： next generation design ＆ engineering［ M］ ． New York： McGrawHill， 2011．
3
结束语
此双极化宽带天线采用指数渐变开槽 Vivaldi 天 线单元形式， 通过合理的设计和优化， 保证了双极化天 二维大角度扫描等性 线在 6 GHz ～ 18 GHz 内的匹配、 能。该双极化天线形式具有体积小、 重量轻、 易集成等 诸多优点， 通过设计金属匹配柱安装在天线单元之间 ， 在天线性能得到保证的基础上， 使之更适合工程应用。 2 组指数开槽天线阵列相互垂 在相控阵天线系统中， 直排布来实现双极化， 借助后端的 T / R 组件移相器可 非常灵活。 以实现任意极化， 参考文献
图3
双极化 Vivaldi 天线单元
图1
Vivaldi 天线的 HFSS 模型
天线主要由 2 层金属振子、 介质、 带状线馈线及反 射板组成。各部分参数的定义如图 2 所示。 D c 为槽 线末端圆形腔体直径； R s 为带状线开路段扇形半径； L 为指数槽线的长度； R e 为指数槽线指数率； b 为天线口 面宽度。 在三维电磁仿真软件 HFSS11． 0 仿真优化单极化 Vivaldi 天线单元在无限大阵中的性能， 天线单元按矩 形栅格排列。在 HFSS11． 0 中可以仅建立单个单元的 模型， 利用周期边界条件来模拟其在无限大阵中的环 境， 然后在周期边界条件下调整 Vivaldi 天线上述的各 个参数来优化其驻波、 辐射等性能， 各参数变换对天线 4］ 。 性能的影响参见文献［
通信作者： 于大群 0702 收稿日期： 2011Email： yulipii@ 163． com 1021 修订日期： 2011-
1
单元设计
首先进行单极化 Vivaldi 天线单元的仿真优化， 然 后再对单极化 Vivaldi 天线单元互相垂直排布得到的 双极化单元进行仿真优化， 这样从单极化单元到双极 化单元的设计可以大大提高整个天线设计的效率 。 1． 1 单极化 Vivaldi 天线单元设计 Vivaldi 天线是一种按指数规律渐变的槽形天线 ， — 59 —
Abstract： A new type of antenna element for wideband wideangle dualpolarized phased array antennas is presented． This dualpolarized antenna element is tapered slot type of antenna， and achieves electrical connection by using metallic posts． Simulation results and measured results demonstrate this new antenna element has good performance with 3 ∶1 bandwidth for a wide angle scan． This new element has wide － band，small volume and simple structure，and is suitable for wideband wideangle dualpolarized phased arrays． Key words： wideband； wideangle； dualpolarized； tapered antenna； Vivaldi antenna
（ 1． 南京电子技术研究所， 南京 210030 ；
2． 天线与微波技术重点实验室， 南京 210013 ）
摘要： 设计了一种宽带宽角双极化相控阵天线单元， 该天线单元采用指数渐变开槽天线形式， 并设计了金属匹配柱安装在 双极化天线单元之间， 保证了开槽天线的接地连续问题 。依次给出了该双极化天线单元的仿真设计 、 阵列样机的性能测 试， 从仿真和测试结果中可以看出， 该双极化天线在 3 倍频程带宽内具有良好的匹配和辐射特性， 并且能实现大角度二维 体积小、 结构简单等特点， 适于用作宽带宽角扫描相控阵天线的阵列单元 。 扫描。该双极化天线单元具有宽频带 、 关键词： 宽带； 宽角； 双极化； 开槽天线； Vivaldi 天线
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现代雷达
在理论上， 具有无穷的带宽。由于其馈电方式的不同， 形成具有各自特点不同形式的 Vivaldi 天线。我们在设 计中， 采用了带状线的馈电方式， 该形式的 Vivaldi 天 同微带线馈电方式相比， 具有更好的宽带特性以及 线， 通过在天线单元上增加金属化过孔来 极化纯度。同时， 消除频带内扫描驻波的奇异点。为减小天线的损耗， 提 高辐射效率， 采用低介电常数的介质板材料进行设计加 工。Vivaldi 天线的 HFSS 仿真模型如图 1 所示。
0
引
言
因槽的形状不同而使天 衬底层的金属板上开槽而成， 线有多种形式， 如指数渐变开槽天线（ Vivaldi） ， 线性渐 LTSA ） 、 变开槽天线 （ Linearly Tapered Slot Antenna， 固 CWSA ） 定宽度开槽天线（ Constant Width Slot Antenna， ， 对它们激励可以采用常规的微带线、 带状线等 馈电结构来完成。开槽天线亦属于微带类结构， 具有 等 重量轻、 体积小、 成本低、 便于设计加工、 易于大规模集 成等优势， 不仅能实现宽带与双极化， 而且还可以提供 宽的空间扫描角度， 通过合适的匹配网络， 其效率也能 。 达到一定的要求 Vivaldi 天线具有体积小、 宽频带、 结构简单等优 点， 适于用作宽带宽角扫描相控阵天线的阵列单元 。 综合考虑上述几种宽带天线后及 Vivaldi 天线特点， 本 文采用 Vivaldi 单元形式。
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图6
双极化天线阵列样机
2． 2
阵中单元有源驻波测量 有源驻波通过被测单元的自反射与其他所有单元
之间的互耦进行矢量合成计算得到， 测试框图如图 7 所示， 测得的 S 参数按式 （ 1 ） 进行矢量合成计算得到 阵中待测单元的有源驻波。 2． 3
图8 水平极化阵中单元的有源扫描驻波曲线
式中： S mn， pq 表示 mn 号单元与 pq 号单元的耦合系数 （ S N 与 dx 、 d y 分别表示阵列规模和水平、 参数） ； M、 垂直 方向上的单元间距。图 8 中给出了阵中心水平极化单 元的有源驻波曲线。 （ 注： 由于双极化天线单元矩形 排布， 且水平和垂直的单元间距相同， 中心水平极化单 元与垂直极化单元的" 阵中环境 " 基本相同， 所以这里 只给出了水平极化端口的有源驻波曲线 ） 。 从图 8 中可以看出， 水平极化单元在 3 倍频程内 具有良好的匹配特性， 并且能实现大角度二维扫描。
［3 ］
在日益严重的电磁环境背景下， 具备宽带多功能 相控阵体制的雷达已成为先进雷达的重要发展方向 。 现代战争也对雷达提出了新的要求， 利用宽带相控阵 完成对雷达、 电子战、 通信等多功能的一体化设计， 以 提高其对抗及隐身能力
［1 ］
。 雷达功能的需求Fra Baidu bibliotek引均
对相控阵天线技术尤其是固态有源相控阵天线技术提 出了非常高的要求， 相控阵天线技术必将沿着宽带化 、 多极化的方向飞速发展。 要实现宽带相控阵， 首先组成天线阵列的辐射单 元必须具备宽带的性能， 这也有许多选择。 TEM 喇叭 天线能够达到 2 个倍频程， 并且波束对称、 增益高， 其 他常见的宽带天线还有螺旋天线、 对数周期天线等形 ［2 ］ 式 ， 但都需 要 馈 电 巴 伦， 而 且 天 线 的 体 积 也 较 大。 但是在常规的相控阵天线结构要求下， 上述的天线形 式都不适合与后端的微波电路集成， 使得加工制作遇 到了困难。 开槽天线， 属于端射行波天线， 通过在涂覆于介质
天线阵列的设计、 加工及安装带来诸多困难。 本文设 如图 计的金属匹配柱安装在双极化天线单元之间， 3b） 所示。单元之间安装金属匹配柱使得相邻单元的 从而解决了接地连续的问题， 并且金 金属臂相互接触， 让 属匹配柱对双极化天线单元还起到了定位的作用 ， Vivaldi 天线单元与金属匹配柱实 整个阵面整齐美观， 物如图 4 所示。
图5 图2 Vivaldi 天线设计参数定义
阵中双极化 Vivaldi 天线单元仿真驻波曲线
1． 2
双极化 Vivaldi 天线单元设计 将 1． 1 节中设计的单极化 Vivaldi 天线相互垂直 排布来实现双极化， 如图 3a） 所示。 Vivaldi 天线阵列必需满足相 为了满足宽带性能， 邻天线单元之间的接地连续 — 60 —