應(yīng)用于寬帶相控陣天線的Vivaldi天線單元設(shè)計(jì)

王化宇，孫 竹，張繼浩

（上海航天電子技術(shù)研究所，上海 201109）

應(yīng)用于寬帶相控陣天線的Vivaldi天線單元設(shè)計(jì)

王化宇，孫 竹，張繼浩

（上海航天電子技術(shù)研究所，上海 201109）

為滿足寬帶相控陣天線寬帶工作和寬角掃描的工程需求，設(shè)計(jì)了一種介質(zhì)板帶狀線形式的Vivaldi天線。采用在天線諧振區(qū)域邊緣加入金屬隔離墻的方法，有效去除天線單元工作頻段內(nèi)的諧振。對3×8陣面中心位置的Vivaldi天線單元電氣性能測試，實(shí)測結(jié)果表明：在3個(gè)倍頻程帶寬內(nèi)實(shí)現(xiàn)VSWR＜1.8，E面3 dB波束寬度為低頻95°、中頻80°、高頻40°，H面3 dB波束寬度為低頻135°、中頻78°、高頻57°，天線增益為低頻增益6.2 dB、中頻增益7.7 dB、高頻增益9.6 dB，試驗(yàn)結(jié)果滿足設(shè)計(jì)要求。

超寬帶；Vivaldi天線；相控陣

0 引言

寬帶相控陣天線具有目標(biāo)成像、多目標(biāo)探測和抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，在雷達(dá)和通信產(chǎn)品中有著廣泛的應(yīng)用。

提出了一款工作在某頻段的介質(zhì)帶狀線Vivald天線單元設(shè)計(jì)，該天線具有大工作帶寬、加工成本低、波束寬和加工精度易于控制等優(yōu)點(diǎn)，通常被應(yīng)用于寬帶相控陣天線。同時(shí)，Vivaldi天線陣列的相鄰天線單元之間會形成強(qiáng)烈耦合，往往導(dǎo)致Vivaldi天線單元工作的某一頻段出現(xiàn)諧振，使駐波和方向圖急劇惡化。通過仿真分析天線表面電流分布，確定了電流諧振形成的區(qū)域，提出了采用在諧振區(qū)域邊緣加入金屬隔離墻的方法，成功去除帶內(nèi)諧振，相較文獻(xiàn)［1］中描述的方法，有效減小了隔離墻使用范圍，從而降低了天線的加工成本。通過實(shí)物加工測試，實(shí)測數(shù)據(jù)顯示天線滿足設(shè)計(jì)要求。

1 Vivaldi天線單元置于單列天線設(shè)計(jì)

Vivaldi天線的邊緣為式（1）的指數(shù)曲線：

式中，x為天線的寬度；y為天線的高度；a、b為系數(shù)。

根據(jù)初步計(jì)算，可確定x、y、a、b參數(shù)的值，確定天線單元的尺寸，天線結(jié)構(gòu)如圖1所示。Vivaldi天線單元間存在強(qiáng)互耦［2－12］，相互影響劇烈，如先進(jìn)行孤立天線單元設(shè)計(jì)，再擴(kuò)展到整陣天線，由于忽略了單元間影響，往往難以滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)。因此設(shè)計(jì)Vivaldi天線單元，一般先將天線單元組合成線陣，再把線陣擴(kuò)展到面陣天線進(jìn)行設(shè)計(jì)。由于在設(shè)計(jì)中考慮了單元間的互耦影響，可得到比較滿意的設(shè)計(jì)結(jié)果。

圖1 天線結(jié)構(gòu)

根據(jù)天線單元的尺寸，可確定線陣尺寸以及饋線形式。天線線陣包括8個(gè)天線單元及饋線。用仿真軟件對該線陣仿真計(jì)算，得到VSWR仿真結(jié)果如圖2所示。

圖2 陣列中心天線單元VSWR

由圖2可知，陣中天線工作帶寬滿足設(shè)計(jì)要求，由于側(cè)面單元天線互耦影響，須將天線單元置于面陣中進(jìn)行進(jìn)一步設(shè)計(jì)。

2 Vivaldi天線單元置于面陣天線設(shè)計(jì)

將Vivaldi天線單元置于單列天線計(jì)算，初步獲得尺寸參數(shù)之后，再將Vivaldi天線線陣組成面陣天線進(jìn)一步確定參數(shù)，面陣列天線陣面單元數(shù)量為3×8＝24，經(jīng)過面陣仿真計(jì)算得到Vivaldi天線陣中心單元VSWR，計(jì)算結(jié)果如圖3所示。

圖3 面陣中心位置單元VSWR

從圖3可見陣面中心位置的Vivaldi天線單元的VSWR帶寬滿足設(shè)計(jì)要求，但在頻點(diǎn)fp附近VSWR＞2，這是因?yàn)楹蛦瘟刑炀€相比，面陣天線的電磁互耦環(huán)境發(fā)生變化，造成工作在陣面中心位置的Vivaldi天線單元的電特性出現(xiàn)變化。通過仿真軟件分析陣列天線的電流分布情況，可以觀察到處于面陣中心位置的饋電單元，周圍的黑色方格線標(biāo)示的“近似三角區(qū)域”里面，如圖4所示，存在著明顯的諧振，導(dǎo)致VSWR惡化。

圖4 陣列中心單元的諧振區(qū)域（頻點(diǎn)fp）

提出在諧振區(qū)域邊緣使用金屬隔離墻，改變諧振區(qū)域的邊界條件如圖5所示，以達(dá)到去除諧振的目的。具體實(shí)現(xiàn)的方法為配打密集的金屬化孔用以形成金屬墻。經(jīng)過仿真對比無金屬隔離墻的陣中天線單元的VSWR仿真結(jié)果，發(fā)現(xiàn)加入金屬隔離墻之后工作頻帶內(nèi)諧振消失，如圖6所示，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

圖5 陣列加金屬隔離墻結(jié)構(gòu)

圖6 有金屬墻和無金屬墻VSWR對比

提出的根據(jù)諧振區(qū)域的位置和面積大小使用金屬隔離墻的方法，和文獻(xiàn)［1］中使用的將天線邊緣和饋線周圍完全用金屬化孔隔離墻的方法如圖7所示。相比較，本文方法有效地較少了金屬化孔的數(shù)量，使金屬隔墻的區(qū)域變小，有效降低了天線的加工成本。

圖7 文獻(xiàn)［1］加入金屬隔離墻的方式

3 Vivaldi陣列天線加工實(shí)測

根據(jù)仿真計(jì)算確定的尺寸，制版加工出Vivaldi陣列天線如圖8所示，天線規(guī)模為3列、每列8個(gè)單元，陣列呈矩形排列，并對加工出的天線陣列進(jìn)行測試，將測試數(shù)據(jù)和仿真計(jì)算數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。

圖8 實(shí)物照片

從圖9可以看出陣列中心位置的Vivaldi天線單元的實(shí)測VSWR在工作帶寬內(nèi)沒有出現(xiàn)諧振尖峰，并且將測試數(shù)據(jù)和仿真計(jì)算數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)二者擬合良好，最終實(shí)現(xiàn)加工實(shí)物天線的VSWR＜1.8。圖10和圖11為選取陣列中心位置的Vivaldi天線單元在頻點(diǎn)A和頻點(diǎn)B的E面增益方向圖，從圖10中可以看出陣中單元在頻點(diǎn)A的E面方向圖和仿真計(jì)算數(shù)據(jù)在主瓣上擬合較好，但在副瓣上擬合較差。從圖11中可以看出在頻點(diǎn)B的E面增益方向圖和仿真數(shù)據(jù)擬合良好。

圖9 實(shí)測數(shù)據(jù)和仿真數(shù)據(jù)VSWR對比

圖10 頻點(diǎn)A、E面遠(yuǎn)場方向圖對比

圖11 頻點(diǎn)B、E面遠(yuǎn)場方向圖對比

實(shí)測E面和H面增益如圖12和圖13所示，圖12和圖13是整個(gè)工作頻段的低頻段、中頻段和高頻段的3個(gè)頻點(diǎn)的2個(gè)正交面的增益方向圖，最終測得數(shù)據(jù)如表1所示。

圖12 E面增益

圖13 H面增益

表1 實(shí)測陣列中心單元E面、H面波束寬度及增益

4 結(jié)束語

為滿足寬帶相控陣天線工作帶寬和掃描范圍的工程需求，本文詳細(xì)介紹了一款應(yīng)用于寬帶相控陣天線的Vivaldi天線單元的設(shè)計(jì)過程。針對仿真計(jì)算過程中出現(xiàn)的天線單元VSWR諧振尖峰的問題，提出了沿著諧振區(qū)域的邊緣加入金屬隔離墻的方法，去除諧振。經(jīng)過仿真計(jì)算和實(shí)物加工測試，最終得到符合工程要求的Vivaldi天線單元。本文描述的設(shè)計(jì)過程和去除諧振的設(shè)計(jì)方法可以為其他形式的寬帶陣列天線單元設(shè)計(jì)提供參考。

［1］HOLTER H，CHIO T H，DANIEL H.Schaubert Experi-mental Re-sults of 144 Element Dual Polarized Endfire Tapered Slot Phased Arrays［J］.IEEE Transactions on Antennas and Propagation，2000，48（11）：1 707－1 718.

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Design on Vivaldi Antenna in Wideband Phased Array Antenna System

WANG Hua-yu，SUN Zhu，ZHANG Ji-hao
（Shanghai Aerospace Electronics and Communication Equipment Research Institute，Shanghai 201109，China）

In order to achieve high bandwidth and wide-angle scanning of wideband phased array antenna，a Vivaldi antenna is designed.The isolating wall composed of metallic is used，which can effectively eliminate the resonance in the working frequency range of antenna.The antenna array with 3×8 scale is fabricated.The electric characteristics of central antenna element are tested，and the results show that VSWR is less than 1.8 in threefold frequency range；the 3 dB beam width of E plane is 95 degree in low frequency range，80 degree in medium frequency range，40 degree in high frequency range，respectively；the 3 dB beam width of H plane is 135 degree in low frequency range，78 degree in medium frequency range，57 degree in high frequency range，respectively；the antenna gain can achieve 6.2 dB in low frequency range，7.7 dB in medium frequency range，9.6 dB in high frequency range，respectively.The experi-mental results meet the design requirements.

UWB；Vivaldi antenna；phased array

TN015

A

1003－3106（2015）10－0059－04

10.3969／j.issn.1003－3106.2015.10.16

王化宇，孫 竹，張繼浩.應(yīng)用于寬帶相控陣天線的Vivaldi天線單元設(shè)計(jì)［J］.無線電工程，2015，45（10）：59－62.

王化宇男，（1982—），碩士，工程師。主要研究方向：天饋線的設(shè)計(jì)。

2015-07-05

孫 竹男，（1982—），博士，工程師。主要研究方向：天饋線的設(shè)計(jì)。