一种高增益宽带窄边频率扫描天线设计*

王培隆，曹文权

（中国人民解放军陆军工程大学，江苏 南京 210007）

0 引言

渐变槽线天线（Tapered Slot Antenna，TSA）是一种行波天线，最早由Lewis、Fassett 和Hunt[1]于1974 年提出，是一种典型的线极化端射天线。通常来说，渐变槽线天线具有剖面低、易集成、宽带、易加工的特点，很适合作为毫米波频段定波束阵列天线和宽带扫描天线的阵元天线。

1979 年，Gibson 提出了一种槽线按照指数规律变化的槽缝天线[2]，并命名为Vivaldi 天线，其渐变规律符合比例变换原理，理论上可以实现非常大的带宽。由于Vivaldi天线具有低剖面、高带宽、高增益、方向图稳定和低交叉极化等特点，近几十年来，在毫米波天线部署中得到了广泛应用。

频率扫描天线是指天线主波束指向随工作频率变化而发生变化的天线，其阵因子是工作频率的函数[3-5]。提高天线的扫描范围是频率扫描天线的研究重点之一，根据对天线扫描原理的分析可知，提高单元相差能增大扫描覆盖范围[6-8]。单元相差由单元馈电相差和空间相差组成，引入慢波线以提高相位差，成为扩大天线扫描范围的重要手段。弯折线是一种简单有效的慢波线结构，它通过延长天线单元间馈电距离以提高单元相差，从而展宽天线扫描角度。文献[9]提出了一种耦合缝隙漏波天线，通过弯折线增大了单元相差，并通过纵向槽进行漏波辐射，其最大增益为15.5 dBi，扫描率达到 43.24°/GHz，且该天线增益平坦度较好，副瓣电平约为20 dB。文献[10]提出了一种基于Vivaldi 天线单元的频率扫描天线。该天线使用16 元Vivaldi 天线进行组阵，使用弯折线提高单元间馈电相差，结合使用3 dB 定向耦合器和平行线定向耦合器以提高增益稳定性。该天线工作在X 频段，波束扫描范围在窄边平面从-35°到+49°，最大增益为15 dBi。

弯折线可以提高天线扫描范围，但是存在增大天线馈电网络体积而影响小型化的固有问题。随着新型人工电磁结构的提出与发展，复合左右手结构（Composite Right/Left-Handed，CRLH）成为频率扫描天线中的重要研究内容之一。2016 年，美国密歇根州韦恩州立大学的Salarkaleji 等人[11]提出了一种二维频扫天线，其使用了复合左右手结构同时作为馈电和辐射结构，可以实现2D 扫描特性，扫描范围覆盖整个半球面，天线工作频段为 3～6.2 GHz。文献[12]将复合左右手结构与基片集成波导结构结合，设计并实现了一款圆极化频率扫描天线，其扫描范围达到102°，工作带宽为7.35～10.15 GHz。文献[13]也使用了复合左右手传输线作为漏波天线设计，实现了天线的前后向扫描。

然而，以上的研究重点大多聚焦于边射频率扫描天线，并且目前针对窄边频率扫描天线的研究还比较少。所谓窄边频率扫描天线，是指天线主波束平行于介质所在平面，目前文献[14]和文献[15]中有针对性的研究，但是还不够广泛和深入。因为窄边频率扫描天线具有扫描平面特性，很适合作为舰载和机载设备的共形天线，因此具有一定的研究价值。

本文以共面Vivaldi 天线为阵元，以交趾结构传输线作为馈电线，设计并加工了一款窄边频率扫描阵列天线。Vivaldi 天线提供了较高的前后比和阻抗匹配带宽，并使用复合左右手传输线提高了天线扫描范围、增强了天线平坦度。该天线工作带宽为12～17.53 GHz，工作在Ku 频段，天线窄边扫描角度为42°。在整个带宽范围内，馈电端口隔离度小于-22.27 dB，天线最大增益为16.54 dBi。

1 单元天线结构分析

图1 所示为共面Vivaldi 天线单元。天线沿xOy平面水平放置，天线辐射部分位于介质上层，微带馈电线位于介质下层，开口槽指向+x方向，介质板厚度为h，介质板宽度和长度分别为wsub和lsub，槽线的起始点分别为P1(x1,y1)和P2(x2,y2)，耦合槽线宽度和长度分别为wslot和lslot，末端匹配圆孔半径为r2，耦合微带线宽度为wfeed1，长度为l1，末端扇形半径为r3，扇形内角为α，微带馈线宽度为wfeed，长度为lfeed。介质板使用Rogers DT/Duroid 5880，其相对介电常数为2.2，损耗角正切为0.000 9。h为介质厚度。

图1 天线单元结构

根据工程经验，渐变槽线口径最小值应为高频波导波长的2%，最大值wsub应为低频波导波长的1/2，并且槽线口径长度应大于工作波长，这样可以基本确定渐变槽线的参数取值。对于介质厚度，通常遵循以下原则：

式中：h为介质厚度；λg为天线波导波长；εr为介质板相对介电常数。介质板的厚度对Vivaldi 天线有着很大影响，当介质板厚度大于0.03λg时，天线会出现较为明显的表面波模式而影响辐射；当介质板厚度小于0.005λg时，天线的电场分布定向性会变差，从而影响端射稳定性。

根据以上分析，可以初步确定单元天线的取值范围，并根据仿真软件可以进行进一步优化，具体参数将在下一节给出。

2 阵列天线结构分析

以此天线单元作为天线阵列阵元，本文设计的天线阵列结构如图2 所示。

图2 天线阵列结构

天线使用双端口馈电，阵元间隔为d，介质板宽度为w，长度为l，介质使用Rogers DT/Duroid 5880，其相对介电常数为2.2，损耗角正切为0.000 9，厚度为0.508 mm。

该天线阵列中，馈电部分使用了复合左右手结构来构建慢波线，复合左右手结构如图3所示，其中，线宽为wf，间距为wc，长度为lf。为了简化设计过程，将间距和线宽设定为相同大小。

图3 天线馈线交趾结构

交趾结构引入了左手电感和左手电容，其中，左手电感来自交趾枝节电感，左手电容来自交趾枝节间的电容效应，因此对阻抗匹配和天线方向图都会带来影响，而选择适当的枝节长度lf可以实现比较好的阻抗匹配。图4 给出了参数对比分析，可以看出，当枝节长度lf在5～6 mm 内时，天线拥有比较好的阻抗匹配。因此，对lf在5～6 mm 内的不同取值分别进行仿真，比较方向图的差异，得出对比数据如表1 所示。从表1 中可以看出，lf为6 mm时可取得最好的天线性能。天线的其他参数经过HFSS软件进行进一步优化，所有参数在表2中给出。

表1 天线性能随变量lf 变化的情况

表2 基于lf天线单元的窄边频率扫描天线尺寸 mm

图4 天线S 参数随变量lf 变化的情况

对8 单元天线阵列进行仿真后，得出其S 参数如图5所示，其相对带宽可以达到37.45%（12～17.53 GHz），且在整个阻抗匹配带宽范围内，S12均能在-22.27 dB 以下，说明1 端口的输入功率绝大部分能通过串联阵列辐射出去，且直接传导到2 端口的功率比较低，说明1、2 端口的隔离度是比较好的。图6 给出了天线在xOy平面上不同频率下的增益曲线，其扫描角度为-20°～+22°，最大增益为16.54 dBi，最小增益为13.21 dBi。此外，在12～17 GHz 频带范围内，方向图峰值增益能保持在3 dB 范围内，保证了较好的增益稳定性；在17～17.5 GHz 范围内出现了一定程度的增益下降，这是由于在此范围内，随着频率的增大，逐渐出现了阻抗失配，导致天线辐射增益降低。

图5 天线仿真S 参数

图6 天线在xOy 平面上不同频率下的增益曲线

为了验证天线的主要辐射能量沿着窄边平面辐射，而不是在天线介质板的垂直平面呈环状分布，图7 给出了天线在不同频率下的3D 方向图。其中，φ角所在平面即xOy面为天线介质板所在平面，当phi=0 时，指向+x方向，θ角所在平面为xOz面，为天线介质板法线所在平面。从天线方向图可以看出，天线辐射能量集中在xOy面，天线主瓣沿φ角从后向到前向扫描。此外，从天线方向图还可以看出，通过优化天线阵元间距和传输线参数，可以使天线的旁瓣电平降低。

图7 天线在3D 平面上不同频率下的方向图

对于阵列天线来说，天线的最大增益和辐射效率与阵元数量息息相关。为了验证最合理的阵元数量n，分别对n=4,8,12,16 的元阵列进行了仿真，并对结果进行了对比。其中，S参数的仿真比较结果如图8 所示，从图中可以看出，S11参数随单元数量变化不明显，阻抗匹配带宽较为稳定；S12参数随着天线单元数量增加呈现递减趋势，即1、2 端口的隔离度在逐渐增强。关于这一变化趋势，可以用行波天线的理论进行定性分析。行波天线是一种边传输边辐射的天线，随着天线辐射部分的数量增加，天线馈线中传输的电磁波被辐射出去的数量越来越多；因此，从1 端口传输到2 端口的能量也就呈现递减趋势，即表示1、2 端口的隔离度逐渐 增强。

图8 不同单元数量的天线的S 参数对比

但是，仅仅分析不同单元数量的天线的S参数是不够的。增加单元数量是为了尽可能多地辐射电磁波能量，从而提高天线峰值增益。因此，要对不同单元数量的天线的峰值增益进行对比，从而确定合适的单元数量，对比结果如图9 所示。如图9（d）所示，随着单元数量增加，天线的辐射峰值增益呈递增趋势；但是在单元数大于8 后，增长的速度明显放缓，而且增益稳定性也在变差。这是由于随着单元数量增加，沿行波方向串联的各辐射单元的电场模值差异性逐渐变大，导致叠加的辐射波形主瓣变窄，但是增益的差值也在变大。可见，性能并不是随着单元数量的增加而线性变好。

图9 天线在不同单元数量下的方向图

为了直观地观察单元数量不同导致的天线性能差异，对不同单元数量的天线在15 GHz 下的电场分布进行了仿真，结果如图10 所示，图中分别给出了4 元、8 元、12 元、16 元天线的电场分布。从图10 中可以看出，从12 元天线开始，电场主要分布在前8 个天线单元，后面几个单元的电场值与前8 个单元差异明显，说明电磁场能量主要是通过前8 个单元辐射出去的，耦合到后几个单元的能量较少，实际发挥的作用并不明显。

图10 天线电场分布

综上，根据峰值增益对比和电场分布的直观比较，将天线单元数量设定为8。

3 天线测试与讨论

对天线尺寸进行优化，进行了实物加工，天线实物如图11 所示。天线表面金属使用18 μm厚铜箔，并经过抗氧化处理，天线整体尺寸为6λ0×3.75λ0×0.025 4λ0=120×75×0.508 mm，其中，λ0为中心频点15 GHz 处自由空间波长。将实测结果与仿真结果进行了对比。

图11 基于交趾馈电线的窄边频扫天线实物

图12 给出了阵列天线仿真与实测的反射系数曲线，其中实线为仿真结果，虚线为实测结果。两个结果具有相同的变化趋势，但是有一定的频率漂移，这主要是由同轴接头和焊接损耗引起的。实测阻抗匹配带宽为12.05～17.35 GHz，与仿真结果12～17.53 GHz 基本一致，误差在合理范围内。

图12 窄边频扫天线仿真与实测的反射系数曲线

在微波暗室中对天线进行测试，其在xOy平面的扫描方向图如图13 所示，图中虚线为实测结果，实线为仿真结果。从图中可以看出，二者具有比较好的一致性，实测天线的旁瓣和后瓣均有一定的提升，这主要是由测试环境和测试设备误差引起的，在可接受范围内。实测扫描范围为-20°至+20°，与仿真结果基本一致。此外，实测结果与仿真结果相比，各端点增益平均降低了0.4 dB，其原因主要是连接线缆存在损耗及焊接点和馈电接头无法实现绝对匹配，但误差没有超出合理限度。通过实测，验证了所设计的窄边频扫天线具有宽工作带宽和高增益的特性。

图13 窄边频扫天线仿真与测试方向图

4 结语

本文以共面Vivaldi 天线作为天线阵元，使用CRLH 馈线进行馈电，构建了一款线极化宽带窄边频率扫描天线，实现了天线的高增益和高端口隔离度。该天线具有37.45%的相对带宽，最低增益为13.21 dBi，最高增益为16.54 dBi。最后，对天线模型进行了加工和测试，天线的测试结果与仿真结果吻合得较好，出现的数值差异是由加工误差和焊接损耗导致的，并且误差在可接受范围内。该天线在定位、导航等领域具有一定潜在应用价值。