弹载超宽带小型化阵列天线单元及阵列设计

    张天水 杨丽娜 张文涛 稂华清

    

    

    摘要： 通过天线单元中加载金属化过孔及馈电端采取三级阻抗变换等一系列手段设计一种Vivaldi天线单元， 在5～11 GHz频段内驻波VSWR<2， 物理尺寸只有14 mm（宽度）×32 mm（高度）×1.07 mm（厚度）， 相比于传统Vivaldi天线， 单元宽度尺寸减小了53%， 并通过对辐射贴片边缘开槽降低了天线E面耦合， 达到了超宽带小型化的设计结果。 利用该单元设计了一个7×7的矩形阵列， 该阵列全频带内扫描角度可达±60°， 满足阵列天线设计要求， 可应用于空空导弹弹载的超宽带相控阵天线中。

    关键词： 超宽带； 宽角扫描； 小型化； Vivaldi天线； 天线阵列； 相控阵

    中图分类号： TJ765.3+31； TN821+.8文献标识码： A文章编号： 1673-5048（2018）04-0089-06

    0引言

    在民用领域， 无线移动通讯技术飞速发展， 为人们的生活提供了巨大的便利。 近年来， 各国研究人员在通讯设备小型化和宽频化方面开展了大量的研究工作。 在宽频化天线设计方面， Leach M等人通过对超宽带圆形天线增加贴片和改变背板设计等手段， 将基板的面积减小了20%， 优化了低频段匹配， 最终达到了在1.5～12 GHz频段范围内回波损耗小于-10 dB[1]。 Mahmud M Z等人设计了一个用于微波成像的超宽带贴片天线， 采用芙蓉花瓣形状的辐射贴片和梯形地板， 该天线在3.01～11 GHz范围内的回波损耗小于-10 dB[2]。 在小型化天线设计方面， Chan H S等人设计了一种带有寄生结构的新型平面倒F天线， 该天线的物理尺寸为30 mm×15 mm×3 mm， 在3.0～6.5 GHz频段内的回波损耗小于-10 dB[3]。 在军用领域， 随着雷达、 探测、 预警、 制导以及电子对抗等技术的不断发展， 促使电子设备向着小型化和宽频带方向发展。 尤其是空空导弹雷达导引头部分由于其口径尺寸较小和抗干扰的强烈需求， 小型化和宽频带的天线单元更具有研究的价值和必要性[4-5]。

    Vivaldi天线是一种高增益、 宽频带的端射行波天线， 由于具备成本低、 易加工的特点， 得到广泛的应用和研究[6-8]。 传统的Vivaldi天线的设计尺寸与工作频带密切相关， 宽度一般为最低频点波长的一半， 制约了天线单元的结构小型化。 本文采用加载金属化过孔和三级阻抗变换过渡馈电技术设计的Vivaldi天线作为阵列天线单元， 在5～11 GHz的频带内， 驻波VSWR<2， 单元的尺寸只有14 mm×32 mm×1.07 mm， 满足超宽带小型化阵列天线单元的设计要求。

    1天线单元设计

    可以看出， 图5（b）中的电场比图5（a）中的电场更为集中， 电场强度也更大。

    在紧耦合宽带Vivaldi天线设计过程中， 由于地板的影响， 天线会在某些频点和某些扫描角度出现短路点， 有些研究者通过频率选择表面来移除短路点[10-11]， 但是这会增加结构上的复杂性， 本文通过加载金属化过孔移除设计带宽内产生的短路点， 达到宽频带的设计目的。

    设计的Vivaldi天线在低频端属于紧耦合天线， 其低频端在E面存在较强互耦作用， 因此， 为了降低天线阵在E面的耦合， 在辐射贴片两侧开矩形槽[12]。

    图6为不同开槽高度时天线有源驻波的变化。 由图可知， 当slot_H=14.5 mm时， 天线的有源驻波小于1.8， 此时阻抗匹配情况最优。 在天线中最邻近两单元之间的耦合作用最强烈。 为分析开槽的去耦效果， 统计了不同频率下开槽与不开槽的E面最邻近两个单元的耦合量， 如图7所示。

    由图7可见， 开槽后两单元的耦合量相较未开槽的耦合量下降明显， 尤其在低频端去耦效果非常显著。 最终设计的天线单元物理尺寸为14 mm×32 mm×1.07 mm， 该天线单元的宽度只有设计的低频端波长（约60 mm）的7/30。

    2天线单元仿真结果与分析

    在天线阵列设计过程中， 为力求天线单元在天线阵列中仿真结果的准确性， 故仿真时将单元的边界条件设为周期性边界条件， 模拟天线单元在一个无限大的天线阵列中的情况。 图8为天线单元仿真时边界条件设定的仿真模型。

    天线单元仿真时应着重关注天线单元在不同剖面不同扫描角度下的单元有源驻波。 提取两个主平面（φ=0°面和φ=90°面）在几个典型扫描角度（θs=0°， 15°， 30°， 45°， 60°）下随频率变化的单元有源驻波如图9所示。

    由仿真结果可知， φ=0°面在扫描角θs=60°时， 在7.8～9.5 GHz范围内， 单元的有源驻波大于2小于2.4； 而φ=90°面在扫描角度θs=60°时， 在5～5.25 GHz范围内， 单元的有源驻波大于2小于2.3。 综上可知， 在大扫描角度（θs=60°）下， 天线单元的有源驻波会在一些频段增大到2以上， 但是大扫描角度下的有源驻波一般较大， 本文设计的天线单元有源驻波只在某些频段大于2， 而且均控制在2.4以下， 性能相当优异。 通过对单元的有源驻波仿真， 天线单元在扫描过程中未出现扫描盲点， 可用于天线阵列仿真设计中。

    3天线阵列结构设计与仿真结果

    3.1中心单元仿真结果与分析

    天线阵列总共有49个天线单元， 只将阵列中心的单元赋予激励， 其他单元激励值设为0， 仿真得到天线阵列中心单元方向图， 该方向图是考虑周围其他单元耦合影响所得到的。 在5 GHz， 7 GHz， 9 GHz， 11 GHz各频率点画出中心单元的两个主平面方向图， 如图11所示。

    由图11可以看出， 由于周围单元对中心单元的耦合影響， 中心单元的方向图会随着扫描角度的变化出现不同程度的抖动， 而且随着频率的增大， 方向图顶部变得更加平坦， 在整个频带内单元方向图未发生畸变。 同时还可看出， 单元方向图的3 dB波束宽度都非常宽， 因此， 该天线单元可以应用于宽频带宽角度扫描天线阵列设计中。

    3.2天线阵列仿真结果与分析

    阵列中所有单元按照等幅激励， 然后通过计算得到不同剖面不同扫描角度下各阵元对应所需的相位值， 将所得相位值赋予每个相对应的阵元， 得到两个主平面和不同扫描角度（θs=0°， 10°， 20°， 30°， 40°， 50°， 60°）下全阵方向图。 由于仿真的频带较宽， 故选择三个典型频点（低频点5 GHz， 中频点8 GHz， 高频点11 GHz）的归一化阵列扫描方向图见图12。

    由图12可知， 随着频率的增大， 方向图的3 dB波束宽度从30°减小到15°； 方向图第一副瓣的电平值有所抬升， 从-17 dB抬升到-12 dB。 阵列的波束指向也按照计算指向了预定的波位， 只是在大扫描角度时波束指向有所偏差， 这是由于按照理论计算得到相位未考虑阵列单元之间的耦合影响， 故产生了一些偏差。 随着扫描角度的增大， 阵列的增益下降， 但未出现扫描盲点。 将不同频点、 不同剖面、 不同扫描角度的增益进行统计， 见图13。

    由图13可知， 随着频率的增高， 阵列的增益值变大， 这是由于单元的高频增益高于低频增益。 由图13（a）可知， 在高频段8～11 GHz时， 在扫描角度大于45°时， 增益值下降较为迅速， 相较而言图13（b）在高频段增益值下降速度较缓， 但是二者增益下降的值较小， 可见该天线阵列可应用于宽频带宽角扫描。

    4结论

    本文利用天线单元加载金属化过孔和馈电带状线三级过渡等一系列手段设计了一个带宽为5～11 GHz、 驻波VSWR<2的Vivaldi天线单元， 该单元的物理尺寸只有14 mm× 32 mm ×1.07 mm， 与传统的Vivaldi天线单元相比， 该天线单元的宽度尺寸减少了53%， 达到了小型化宽频带的设计效果。 为降低该天线的E面耦合影响， 在天线单元之间增加了开槽， 明显降低了天线单元间的耦合。 利用该单元建立了7×7的矩形天线阵列， 通过对阵列仿真结果的分析， 天线阵列在5～11 GHz的频带范围内扫描的角度可达±60°， 证明该天线单元可应用于宽频带宽角扫描的天线阵列设计中， 达到了设计的目的。 该天线单元及其组阵在宽频带宽角扫描及小型化方面有极其重要的工程应用价值， 在对于尺寸较为敏感， 性能要求高的平台上例如空空导弹导引头、 卫星通信等， 有着广阔的应用前景。

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    Abstract： This paper describes a design of a Vivaldi antenna unit which uses a series of methods such as adding metalized hole in antenna unit and using a threelevel impedance transformation at the feeding port. The voltage standing wave ratio （VSWR） of the antenna unit is less than 2 at 5～11 GHz bandwidth and the physical size is only 14 mm（width）× 32 mm（height）× 1.07 mm（thickness）. The width size of designed antenna unit is decreased by 53% compared with the traditional Vivaldi antenna. The coupling performance of antenna Eplane is lowered by cutting slot at the edge of the radiation patch. Thus， a miniaturized array antenna unit with ultrawideband is achieved. A 7×7 rectangular antenna array is designed by using this unit， and the scanning angle of the array could achieve ±60° in the entire bandwidth which meets the design requirements of the antenna array. This antenna unit can be used in missileborne ultrawideband phased array antenna.

    Key words： ultrawideband； wide angle scanning； miniaturization； Vivaldi antenna； antenna array； phased array