高倍频程超宽带阵列天线设计综述

符敏

摘 要 本文对高倍频超宽带阵列天线的特点和应用背景进行了概述，对国内外超宽带天线研究现状进行了调研。并以2GHz～12GHz超宽带天线设计為例，探讨了超宽带天线需要重点攻关的技术难点，并针对后端链路设计中的注意事项提出了工程化建议。

关键词 超宽带 相控阵 天线

中图分类号： TN822 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2016）05（C）-00

1.1引言

宽带或超宽带、高稳定天线对提高现代雷达的性能以及研制新一代高性能雷达具有非常重要的意义。它不仅能够增强雷达的抗干扰能力、杂波抑制能力和抗无线电辐射制导导弹、无人机及其他武器平台的攻击能力，且由于其相对带宽较宽，可获得更高的距离分辨率，实现多目标分辨和更高的测距精度，在雷达的一二维成像、目标分类识别和低仰角跟踪等方面都有重要作用。宽带相控阵雷达是当前相控阵雷达技术发展的一个重要方向，具有广泛的应用前景。

宽带或超宽带天线作为电磁能量发射和接收的窗口，对宽带相控阵雷达性能、研制成本等来说至关重要。在星载、球载、机载和舰载等平台上，通常配备有不同频段的天线用于实现通信、导航及电子侦察等功能，采用多功能宽带或超宽带阵列可以实现天线复用，大大减少天线数量、重量及其所占空间，对合理安排天线布局，有效降低不同频段天线间的互扰具有重要的意义。

本文对超宽带天线分类和国内外研究现状进行了调研，并针对2GHz～12GHz超宽带天线设计，提出需要重点攻关的技术难点，给出此种天线的后端设计方案。

1.2超宽带天线分类及国内外研究现状

超宽带天线种类很多，早期宽带天线是由传统的窄带天线通过变形、加载等方式演变成而来，例如由偶极子天线演变的双锥天线、三角形偶极子天线，由单极天线演变来的盘锥天线、套筒天线等，以及由喇叭天线演变的宽带TEM喇叭天线、加脊喇叭天线、波纹喇叭天线等。后来出现了一些非频变天线，天线单元是周期性的自相似结构，使得天线带宽可以达到很宽，典型的就是各种螺旋天线和对数周期天线。超宽带天线中另外一个大的系列是渐变槽线天线，不同的槽线宽度对应不同的频点决定了它的超宽带特性，根据槽线的形状有指数型，三角型，抛物线型，直线型和阶梯型等，还有对踵型以及兔耳型的。

宽带天线组阵时，为了避免出现栅瓣，要求单元间距不超过最高频率对应的半个波长（或略大于半个波长），此时天线间的距离对于低频段的电长度来说很小，使得天线间的互耦很强，因此宽带阵列并不是简单的将宽带天线单元直接排列分布就可以了，需要综合优化。虽然超宽带天线的种类很多，鉴于尺寸、互耦、馈电等方面的考虑，适合进行组阵的单元并不多，一般常用的有宽带偶极子天线、对数周期天线、圆锥螺旋天线和渐变槽线天线等。

随着天线技术的发展，国外在超宽带阵列方面做了大量的理论研究和实验，设计了很多有价值的超宽带阵列，如图1（a）-（d）所示。哈里斯公司（Harris Corporation）利用电容耦合的偶极子实现了单极化和双极化的超宽带电流片阵列（Current Sheet Array， CSA），工作频带接近10：1。马萨诸塞州大学针对超宽带韦瓦尔第（Vivaldi）阵列开展了广泛的研究，并设计出了带宽超过10：1的Vivaldi阵列。此外，乔治亚技术研究中心（Georgia Tech Research Institute，GTRI）优化设计了一种具有不规则分形结构的碎片孔径阵列（Fragmented Aperture），实测带宽可达到33：1，且有望达到100：1。美国雷神（Raytheon）公司也研制了多种超宽带阵列用于机载相控阵雷达，Lee 等人提出了一种可以嵌在金属载体内部、具有低剖面特性的连续长槽宽带阵列天线并研制了样机，在200～2000MHz的频段时阵列的厚度仅有8cm，大约是最低工作频率对应波长的5%左右，重量也控制得较好。

2005年，美国海军研究实验室（Navy Research Laboratory，NRL）提出了一种超宽带阵列结构的概念，可大大减少超宽带阵列的阵元数量。如图9所示，这种结构的中心是由常规宽带阵元组成的一个均匀平面方阵，在与其共中心的方环上放置一定数量的阵元，从内向外，方环的间距逐渐增大，方环上的阵元也逐渐增大（工作在更低的频率），通过在不同频段激励不同的阵元来实现超宽带阵列的频率覆盖。由于所需阵元种类较多和互耦连续性等问题，这一概念并不切合实际。随后，NRL提出了波长比例缩放阵列（Wavelength-Scaled Array， WSA），可以用较少的阵元组建一个单独的超宽带阵列，实现8：1的带宽，所需的阵元数为常规超宽带阵列的16%，馈电网络也相应减少。NRL分别研究了由单极化（2.5-20GHz）和双极化（6-48GHz）渐变开槽（Taper Slot Antenna， TSA）单元构成的超宽带二维阵列，并制作了样件（图3），验证了WSA可实现和传统超宽带阵列相近的性能。由于TSA阵元的极化纯度不高，目前NRL正在着手研制适合于WSA的具有更高极化纯度的超宽带阵列天线。

国内的学者和科研单位对宽带天线及阵列也开展了广泛的研究，工作主要集中在超宽带天线阵元和阵列优化等方面。研制了众多的传统超宽带天线，如对数周期天线、倒锥天线、圆锥或平面螺旋天线、渐变开槽天线等及其组成的超宽带阵列，西安电子科技大学、电子科技大学、北京理工、南京理工和东南大学等高校以及中国电子科技集团、航天科技集团和中船重工集团等下属研究所在宽带天线和组阵的研究方面都取得了很多有价值的成果。电子科技大学对利用互耦机理的超宽带阵列如交指型偶极子阵列开展了研究，并进行了样件测试（见图4）。西安电子科技大学微波技术与天线国家重点实验室在超宽带天线分析与设计、超宽带非均匀阵列的优化设计方面作了大量有意义的工作（见图5）。

1.3超宽带天线技术难点及后端链路设计

超宽带天线在具体工程实现上会面临驻波和效率等方面的技术难点。下面以2GHz～12GHz超宽带天线为例，论述超宽带天线的技术难点。根据前期在超宽带天线技术方面的研究，针对所需2GHz～12GHz天线，考虑选择vivaldi天线形式作为相控阵天线的辐射单元。考虑到天线辐射器带宽、有源通道的设计等多方面的原因，通常天线辐射单元的工作频段基本选择为3：1的工作带宽，而2GHz～12GHz工作带宽达到6：1，对天线设计带来的难度主要表现在天线辐射单元的间距设置上。天线辐射单元间距設置需要按照天线工作的高频考虑，由此会造成天线单元的间距相对于工作频率中的低频段来说非常小，从而导致单元间的互耦非常大，会引起天线辐射单元低频段的驻波较大，效率低等缺点。由于天线阵面的效率有严格的要求，因此对于具有6：1倍频程的超宽带天线来说，在工程设计上希望天线带内有源驻波小于2.5，这就对超宽带天线设计提出了很高的要求。前期研究表明，解决带内驻波影响的途径主要是采取天线参数优化及去耦结构设计来实现高性能的超宽带天线辐射单元，以满足特定功能使用。

在工程实现上，超宽带天线与传统宽带天线的后端链路相比也存在不同之处。考虑射频链路中移相器的设计难度，需要将超宽的频段划分为两段。仍以2GHz～12GHz超宽带天线为例，其链路的射频接收前端可选择如下方案：

其具体频段划分可根据芯片设计水平确定，发射天线逆之。为保证系统的整体指标，超宽带天线的变频通道等也需分高低频段分别进行通道均衡，根据功能需要进行开关切换。其本振通道也可考虑一本振共用，采用开关方式进行切换。

由于系统整体带宽比较宽，天线的效率和有源链路中高频部分的噪声系数很难达到传统天线的水平，在实际工程应用中系统应考虑留一定的设计余量。

1.4 结论

超宽带天线以其低廉的成本、有限的资源需求和灵活的应用方式获得很多机载、星载雷达使用者的青睐，本文分析了其特点并对国内外研究现状进行了调研，同时以2GHz～12GHz超宽带天线设计为例，探讨了超宽带天线所面临的技术难点和解决方案，并针对后端链路设计中的注意事项提出了工程化建议。

参考文献

1. WarrenL.Stutzman.天线理论与设计[M].人民邮电出版社，2006.

2. 戈稳.雷达接收机技术[M].北京：电子工业出版社，2005.

3. Currie A， Brownm A. WideSwath SAR [ J ] . IEE Proc of Radar Sonar and Navigation，1992， 139（2）：122-135.

4. 郑新，李文辉，潘厚忠等.雷达发射机技术[M].北京：电子工业出版社，2006.

5. 周万幸等.雷达手册（第三版）[M].北京：电子工业出版社，2010.