一种超宽带、大扫描角Vivaldi天线阵列

刘阳洋 任宇辉 伍捍东 高宝建

(1.西北大学信息科学与技术学院,西安 710127;2.西安恒达微波技术开发公司,西安710100)

一种超宽带、大扫描角Vivaldi天线阵列

刘阳洋1任宇辉1伍捍东2高宝建1

(1.西北大学信息科学与技术学院,西安 710127;2.西安恒达微波技术开发公司,西安710100)

设计并加工测试了一款双面Vivaldi天线. 通过结构优化,提高了馈电效率和阻抗带宽,并在组阵后显著降低了阵元间的互耦. 实测结果表明该天线可以实现在2～8 GHz的频带内回波损耗(Return Loss, RL)小于-10 dB,平均增益大于5 dBi. 并采用“交错排列”的思路,将所设计的双面Vivaldi天线组成超宽带阵列. 此种方式可以有效解决天线尺寸和最佳阵列间距之间的矛盾,进而抑制栅瓣,增大波束扫描角范围. 仿真分析表明,在4～6 GHz时,E面交错阵列比普通一维阵列的扫描角范围提高20°左右.

超宽带阵列;波束扫描;Vivaldi天线;大扫描角

引 言

随着无线通信技术的快速发展,人们要求其天线系统具有增益高、频带宽、旁瓣低以及波束指向可控等特性. 而在实际应用中,由于单个天线的辐射特性很难同时满足上述要求,因此具有超宽频带、大扫描角特性的波束扫描阵列越来越受到人们的关注[1-2].

要设计出同时具有超宽带、大扫描角特性的相控阵天线,必须从阵列单元的设计和组阵方式的优化两方面着手. 常见的超宽带天线阵元主要有Vivaldi天线、Bowtie天线、双锥天线、非频变天线等[3-5]. 其中Bowtie天线往往要引入阻抗变换器和屏蔽腔,结构略显复杂. 双锥天线虽然结构简单,但其增益较低且体积太大. 而非频变天线,比如平面等角螺旋天线,虽然阻抗带宽很宽,但没有稳定的相位中心,不同频率相位中心的变化会导致脉冲的波形失真. 而Vivaldi天线是一种具有超宽频带和较高增益的端射行波天线,它除了辐射性能好之外,还具有尺寸小、易加工、成本低等特点,因此其日益成为多种超宽带阵列的首选[6-8].而对于波束扫描阵列天线,还要考虑优化单元间距和天线尺寸之间的矛盾,合理地调整组阵方式. 进而减小互耦,抑制栅瓣,增大波束扫描角范围. 阵列天线在国内外的研究非常多,但对于其它频段(例如2～6 GHz)的宽扫描角相控阵天线的研究较少.

本文首先设计并加工、测试了一款双面Vivaldi天线,其在2～8 GHz的频带内回波损耗小于-10 dB,平均增益大于5 dBi. 双面结构的Vivaldi天线既可以保证系统的超宽频带特性,还能在组阵时有效减少单元间的互耦. 其次,将双面Vivaldi天线单元组成一维扫描阵列,并创新性地采用“交错排列”的思想,有效地抑制了阵列中栅瓣的影响,增大了扫描角度.

1 双面Vivaldi天线设计

Vivaldi天线有单面、双面,以及异面、共面等多种结构. 本文采用双面结构主要是为了在组成阵列时减小单元间的互耦. 如图1(a)所示,典型的双面Vivaldi天线单元由金属辐射结构、带状线馈线和介质基板组成. 其中金属辐射结构又包括指数渐变曲线槽线、矩形槽线和圆形腔体三部分. 本设计中: 1)将四分之一波长短路矩形槽线(ls)改进为圆形腔结构; 2)将四分之一波长开路带状线(lm)改进为一个扇形结构; 3)在天线单元的槽线周围布满金属化孔. 这些措施可以提高耦合效率,展宽带状线-槽线巴伦的阻抗带宽,并且避免阵列天线宽角扫描波束出现盲斑[9].

(a) 整体视图

(b) 几何参数

(c) 实物照片图1 双面Vivaldi天线

金属辐射结构的指数曲线模型满足[10]:

y=±(c1eRx+c2),

(1)

式中:P1(x1,y1)为指数渐变曲线起点坐标;P2(x2,y2)为终点坐标;R表示曲率.

对于带状线-槽线巴伦结构则有[11-12]:

Zm=N2Zs,

(2)

(3)

(4)

式中:Zs指槽线特性阻抗;Zm指微带线特性阻抗;N指带状线与槽线间的耦合因子.

本设计中,带状线和金属辐射结构都采用厚度t=0.036 mm的铜箔,介质基板采用εr=2.65,h=2 mm,tanδ=0.001的微波复合介质. 其它参数根据公式(1)～(4)确定,具体如表1所示.

表1 双面Vivaldi天线基本结构主要参数

图2(a)所示为单面Vivaldi天线与双面Vivaldi天线回波损耗曲线对比,可看出加载金属化孔的双面Vivaldi天线回波损耗有明显降低.图2(b)所示为双面Vivaldi天线仿真与实测回波损耗曲线,受实验环境、加工误差等因素的影响,实测比仿真结果在低频段稍差一点,但仍能基本满足在2～8 GHz的频带内回波损耗(Return Loss,RL)小于-10 dB. 图3给出了天线在2、4、8 GHz的实测方向图. 可看出随着天线的工作频率升高,增益变大,波束变窄.

(a) 单面、双面Vivaldi天线回波损耗曲线对比

(b) 双面Vivaldi天线仿真、实测回波损耗曲线对比图2 天线回波损耗曲线

(a) f=2 GHz

(b) f=4 GHz

(c) f=8 GHz图3 双面Vivaldi天线实测方向图

2 超宽带、大角度一维扫描阵列设计

2.1 传统一维阵列天线的设计与分析

传统的一维阵列有两种排列方式.如图4(a)所示,阵元沿着天线磁场方向排列,称为H面阵列. 而在图4(b)中,阵元沿着电场方向排列,则为E面阵列. 根据阵列天线理论,为了抑制栅瓣的出现,阵元间距d需满足

(5)

式中:λmin为工作频段内高频对应的最短波长;θ为天线主瓣辐射方向和阵列法向之间的夹角,而θmax为这个角度的最大值. 本设计中考虑互耦和栅瓣的影响,我们选择d=0.7λmin.

以双面Vivaldi天线为阵元,按照图4所示排列方式组成1×32的阵列. 但当组成E面阵列时发现因为天线单元宽度约为1.5λmin,无法满足d=0.7λmin的条件. 因此,图4(b)所示E面阵列的间距并不是最佳选择.

(a) H面阵列

(b) E面阵列图4 传统一维阵列排列方式

给32个天线单元取等幅分布,加上渐进的相位:φ=-nkdsinθmax(n=0,1,…,31,k为波数). 当φ=0时,天线的主瓣辐射方向为阵列的法向(θ=0°),此时阵列天线的扫描方向图用ph0表示; 当φ=φmax时,天线的主瓣指向最大扫描角度(θ=θmax),此时阵列天线的扫描方向图用ph1表示. 工程中规定阵列天线方向图栅瓣与主瓣幅值相差不小于10 dBi,故当栅瓣与主瓣幅值相差等于10 dBi时所对应的θ值即为最大扫描角度θmax. 我们依次改变θ值,通过HFSS软件的参数扫描功能仿真阵列方向图,确定阵列的最大扫描角度,由于组成阵列之后,回波损耗只在2～6 GHz达到-10 dB以下,因此阵列扫描只分析2、4、6 GHz三个频点的方向图,传统一维阵列扫描结果如图5所示.

通过分析可知:1)阵列的扫描角度范围随着频率的增大而减小; 2)对于E面阵列,由于其固有尺寸使得阵元间距d>0.7λmin,所以在中、高频段其栅瓣较大,无法实现波束扫描功能.

(a) H面阵列

(b) E面阵列图5 传统排列、等幅分布阵列扫描方向图

2.2 交错阵列天线的设计仿真

为了克服传统排列方式中E面阵列在中、高频段无法实现波束扫描的不足,创新性地采用了“交错排列”的思路. 如图6所示,沿着E面或磁场H面将每个双面Vivaldi天线单元错开一段距离(d2)排列,这样就可以保证阵元的间距d1满足公式(5)的要求,进而减小互耦、抑制旁瓣和提高波束扫描范围. 本设计中,我们通过参数优化选定d1=0.7λmin,d2=0.5λmin.

(a) H面阵列

(b) E面阵列图6 交错排列组阵方式

(a) H面阵列

(b) E面阵列图7 交错排列、Taylor分布阵列扫描方向图

(a) H面阵列

(b) E面阵列图8 交错排列阵列试验件

表2 传统阵列和交错阵列方向图性能对比

同样,对所设计阵列加上渐进的相位. 为了降低阵列旁瓣电平,对阵列采用Taylor分布进行幅度加权[13]. 这里设计旁瓣电平小于-20 dBi,等旁瓣数为3. 依次改变θ值,阵列的最大扫描角度如图7所示. 将之前设计的传统阵列和改进后的交错阵列方向图特性进行比较,结果见表2.

综上分析,当我们将传统阵列改进为交错阵列后:1)阵列的增益变化不大,且θ=0°和θ=θmax是增益相差在3 dBi以内; 2)阵列的波束扫描范围有了较大改进. 尤其是对E面阵列而言,因为交错排列使得阵元间距满足了最佳条件,波束扫描范围大大增加; 3)由于交错排列时采用了Taylor阵列综合的方法,阵列的旁瓣电平也比等幅分布时平均下降了4.7 dBi,系统的抗干扰性能大大改善. 4)尽管本文设计的双面Vivaldi天线单元其阻抗带宽可达四倍频程(RL<-10 dB),但分析单元及阵列的方向图特性,其最佳工作频段为三倍频程(2～6 GHz).

最后,加工了试验件,实物照片如图8所示. 但由于目前还缺少T/R组件等其他的一些设备、器件,因此暂时无法对天线系统的方向图扫描特性进行测试.

3 结 论

2014年叶国华在文献[14]提出了一种机载宽带Vivaldi相控阵天线,在8～12 GHz的范围内实现波束扫描功能,本文则设计、加工、测试了一款工作于2～8 GHz的Vivaldi天线. 为了减小单元间的互耦,使其更加适合组成阵列天线,将经典单面Vivaldi天线改进成双面结构,并且在天线单元的槽线周围布满金属化孔. 其次,针对传统阵列中天线尺寸和阵元间距之间的矛盾,创新性地采用“交错排列”的思路,使阵列在2～6 GHz内实现波束扫描功能. 此外,其思路可方便地扩展到多维面阵中去.

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YE G H. Research on airborne broadband Vivaldi antenna and array technology[D]. Chengdu: University of Electronics Science & Technology of China, 2014.(in Chinese)

An ultra-wideband vivaldi array with large scanning angle

LIU Yangyang1REN Yuhui1WU Handong2GAO Baojian1

(1.SchoolofInformationScienceandTechnology,NorthwestUniversity,Xi’an710127,China;2.Xi’anHengDaMicrowaveTechnologyDevelopmentCompany,Xi’an710100,China)

A double-faced Vivaldi antenna is designed and tested. Through optimizing structure design, the feeding efficiency and the impedance bandwidth of the antenna are improved. Meanwhile, the mutual coupling between the elements is greatly reduced when the antenna is used for an array. The measured results show the return loss of the presented antenna is less than -10 dB from 2 to 8 GHz and the average gain is larger than 5 dBi. An ultra-wideband array is also formed by the Vivaldi antenna. In this array, the idea of “staggered arrangement” is adopted. This method can effectively solve the contradiction between the sizes and the spacing of antenna elements. So, the grating lobe of the array is suppressed, and the beam scanning angle range is markedly increased. The simulation analysis shows that the scanning angle of the staggered array of E-field is improved at least 20 degrees in 4-6 GHz.

ultra-wideband array; beam steering; Vivaldi antenna; large scanning angle

10.13443/j.cjors.2016102601

2016-10-26

陕西省教育厅自然科学专项基金(11JK1039)

TN823

A

1005-0388(2016)06-1099-08

刘阳洋 (1991-),女,陕西人,西北大学助理工程师,研究方向为超宽带阵列天线.

任宇辉 (1980-),男,陕西人,西北大学讲师,西北工业大学博士. 主要研究方向:电磁场与微波技术,人工电磁材料设计及其应用.

伍捍东 (1952-),男,江苏人,研究员级高级工程师,西安恒达微波技术开发公司总工程师; 中国电子学会微波分会、天线分会委员; 海峡两岸无线科技研讨会顾委委员. 主要从事微波天线、微波元器件、微波测量等方面的研究.

高宝建 (1965-),男,陕西人,副教授,西北大学网络与通信工程系主任,主要从事“微波技术与天线”及“通信信号处理”研究与教学.

刘阳洋,任宇辉,伍捍东,等.一种超宽带、大扫描角Vivaldi天线阵列[J].电波科学学报,2016,31(6):1099-1106.

LIU Y Y, REN Y H, WU H D,et al.An ultra-wideband vivaldi array with large scanning angle [J].Chinese journal of radio science,2016,31(6):1099-1106.(in Chinese).DOI:10.13443/j.cjors.2016102601

联系人： 刘阳洋 E-mail：lyy_nwu@163.com

DOI 10.13443/j.cjors.2016102601