一种超宽带宽角扫描Vivaldi连接阵设计

李桂红 王 珂 吴 帅 洪 玮 习 磊

(中国电子科技集团公司第三十九研究所 西安 710065)

0 引言

现代通信领域对射频前端天线的要求日益增高，超宽带宽角扫描阵列天线研究成为天线设计的一个发展趋势。印刷天线具有重量轻、体积小、易加工、便于集成、尺寸一致性好、加工精度易于控制等优点，得到了广泛的应用。传统的印刷天线带宽较窄，本文设计的介质带线Vivaldi天线，具有工作频带宽、辐射定向性好、结构简单、价格低廉等优点[1]。

传统的宽带相控阵，由于波束栅瓣的限制，工作带宽很难进一步扩展，连接阵技术应运而生[2]。连接阵可以利用阵元间的互耦，改善低频有源驻波，实现相控阵天线的超宽带功能。

本设计中，通过连接阵技术，天线工作带宽可以达到六倍频程。另外，利用Floquet无穷周期边界理论[3]，采用方形栅格型式，采取适当的阵列间距，完成了天线低栅瓣设计。利用隔离墙技术，解决了阵列的有源驻波谐振问题，有效消除扫描盲点。通过阵列单元尺寸的合理设计，实现了±50°的空域覆盖，并解决了扫描状态下的波束损耗问题。最后，对超宽带宽空域阵列进行仿真和实测，两者性能符合良好，满足设计预期。

1 连接阵阵列原理

常规的阵列天线需要抑制单元间的互耦，提高阵列性能。与传统宽带相控阵相比，连接阵设计原理有所不同，连接阵充分利用天线单元之间的电磁耦合，来展宽天线的工作带宽。

连接阵天线属于紧耦合阵天线的一种，紧耦合天线的设计思想来自Wheeler[4]等人提出的无限大连续电流片理论。Munk基于该理论，将多个短偶极子依次相互连接并留有缝隙，近似得到理想电流片阵列，形成了紧耦合阵列的雏形[5]。随后，Hansen教授利用矩量法计算了相互连接的偶极子阵列的电流分布[6]，并证明了当阵列尺寸远小于一个λ时，可以得到连续均匀电流分布，大大延长了单个阵元的尺寸，在较低的频段获得改善的阻抗匹配。

连接阵是基于无限大连续电流片理论设计的，相邻阵列单元的辐射部分相互连接，电流在相邻单元上呈连续均匀分布，单元之间的场可以在相邻单元之间传播，降低截止频率。连接阵要求单元间距必须远小于低频的一个波长，相邻单元电流趋于恒定、且相位平滑渐变，这时阵元的阻抗特性随频率变化特性会趋于缓和，不再仅仅是单元的谐振频率，通过一定的匹配手段后就可以得到较宽的阻抗带宽。

2 Vivaldi天线单元设计

相控阵设计中，由于阵列单元满足Floquet周期边界，单元具有空间平移对称性，因此可以通过分析其中一个周期单元内的场，运用叠加原理得到无限大阵列的场特性，大大降低了计算的工作量。

天线单元采用渐变槽缝Vivaldi天线形式，天线设计考虑了馈电的合理性、连接阵的适应性、宽带有源匹配的可实现性、辐射的充分性、扫描盲点的抑制，合理设置天线长宽比、馈电措施、渐开线曲线，得到适用于宽带宽角扫描连接阵的单元模型。通过优化，最终确定的天线结构示意图如图1所示。

图1 Vivaldi天线单元结构示意图

本设计中单元由介质带线结构组成，两侧为渐开槽线接地结构，中间层馈电线实现馈电，由两层厚度为1 mm、介电常数为3的介质覆铜板压制而成。天线单元采用细长型Vivaldi天线形式，阵间距为0.52λH，阵列高度为0.75λL，其中λH和λL分别对应高频和低频工作频点的波长。

渐变槽缝作为天线单元的辐射部分，可以近似看作一个阻抗变换段，通过渐变的槽线形成行波结构，实现宽频段内输入阻抗与自由空间阻抗的匹配。渐变槽缝曲线采用三阶样条曲线，代替传统的指数变换曲线，更好地实现扫描状态的有源驻波。通过优化，渐变槽缝开口宽度由0.024λH变换到0.057λL，槽缝高度0.4λL，槽缝边缘通过金属化过孔实现隔离墙，抑制工作频带内的谐振现象。

阶梯阻抗变换器与同轴连接器连接，再通过扇形巴伦结构进行耦合馈电。渐开槽线末端的圆形结构可以看作开路结构，形成开路耦合馈电结构，开路孔径设置为0.033λL。通过以上措施，实现天线单元的宽带有源阻抗匹配。

通过Ansys HFSS商业软件中的无穷周期结构模型仿真，得到了单元在0°、30°和50°扫描角处的有源驻波，仿真结果如图2所示。为简便起见，只观察天线在水平扫描状态下的性能。由图可知，无穷周期单元的有源驻波随扫描角度的增加而逐渐变差，这是由于扫描角度增加导致天线辐射电阻发生变化引起的，后期可以通过阵元表面加载介质解决。

图2 天线单元有源驻波仿真曲线

图3给出了单元在0°和50°扫描角处的有源方向图仿真结果。

由图可知，扫描状态下的单元有源方向图偏向实际扫描角。众所周知，天线的波束扫描损耗是考量天线阵元设计的一个基本指标。一般的，大角度扫描时的阵列波束损耗较大。本设计中的连接阵单元，通过调整单元的剖面尺寸，利用单元间的耦合，可以使Vivaldi单元有源方向图偏向实际扫描角，从而使大角度扫描状态下的阵列波束损耗降低。

3 阵形设计

由于天线双线极化工作，阵列可以采用方形栅格阵型排布。阵列采用连接阵技术，利用单元之间存在比较强的近场作用，相邻单元间形成连续均匀电流，延展低频带宽，实现宽带阻抗特性。

图3 天线单元有源方向图

在相控阵系统中，栅瓣的产生会导致辐射能量分散，进而降低增益，并且导致测角的多值性。通过减小阵间距，可以实现大角度扫描处的Floquet高次模的抑制，避免栅瓣的产生。阵间距选取依据

(1)

当最大扫描角θmax为50°时，阵间距选取为0.52λH。

本设计的双极化阵型设计阵列由垂直极化和水平极化两种极化方式组成，两种极化的单元垂直放置，采用L形阵型排布，如图4所示，这种结构使得天线具有较高的极化隔离度和极化纯度，工作频带内的双极化端口隔离度小于-10 dB，天线交叉极化小于-30 dB。阵列天线每个极化方式有16×16个为实元，阵列天线周围各增加2排虚元。此时所有天线单元具有几乎相同的边界和电磁环境，很好地改善边缘截断效应，进一步提高阵列的阻抗匹配和辐射特性。

为验证连接阵仿真结果的正确性，对天线进行加工测试。阵列实物图如图5所示。

图4 连接阵L型方形栅格阵型排布

图5 双极化天线阵列的实物照片

当平面阵列实现相控扫描的过程中，各个单元的相位值发生改变，天线的波束指向也随之发生移动。为使天线波束指向(φ,θ)方向，阵内激励相位差应为

(2)

按照式(2)对阵列进行相位激励，可以计算和仿真得到的阵列归一化方向图，如图6所示。仿真和实测方向图曲线符合良好。由于阵列规模较小的原因，低频扫描角度稍微小于50°。天线法线和扫描50°方向辐射效率分别为94.5%与60.2%，测试结果表明阵列的扫描损耗小于1.9 dB。

采用功分器和延时配相电缆，实现阵列50°扫描，扫描状态的有源驻波实测曲线如图7所示，实测结果小于3。

4 结束语

本文提出了一种介质带线形式的Vivaldi天线连接阵，完成了天线的宽频带、低栅瓣、去谐振、低扫描损耗设计。工作频率达到六倍频程，阵列空域覆盖范围达到法线方向±50°，阵列仿真和实测结果符合良好，为超宽带宽角扫描相控阵设计提供了依据。

图6 阵列仿真和实测归一化方向图

图7 阵列扫描50°有源驻波实测曲线