一種低交叉極化相控陣單元的設計

張聞濤，張曉輝

(中國空空導彈研究院，河南 洛陽 471009)

0 引 言

近些年由于集成電路和半導體技術的迅猛進步，相控陣技術得到了飛速的發(fā)展。相控陣天線以其波束指向靈活、指向切換速度較快且無慣性、易于賦形等特點在機載雷達、彈載雷達等諸多領域中被廣泛使用[1]。相控陣天線是相控陣雷達的關鍵組成部分，其性能優(yōu)劣對雷達有著至關重要的影響。天線的主要性能指標有增益、半功率波束寬度、副瓣等指標，而人們對天線的交叉極化研究較少，天線的交叉極化定義為主極化與交叉極化平面的電場分量之比，由于天線極化的特殊性，任何天線都會有不同程度的交叉極化分量[2]。

微帶因其結構簡單且重量較輕、易于共形等特點近些年也被廣泛應用在了雷達天線上，很多學者對微帶天線的交叉極化開展了大量的研究[3]，但大多集中在固定波束的天線設計上，相控陣天線研究相對較少。在微帶天線中，角饋微帶天線抑制交叉極化研究方法較多，文獻[4]中研究了角饋方形貼片的電流分布，得出了在貼片末端增加一段延長線可減小交叉極化的結論，文獻[5]中通過在角饋方形貼片微帶天線上開槽抑制交叉極化，交叉極化增益降低到了-42 dB，普通的輻射貼片與饋電網絡在一面上均會有較強的輻射，會產生較強的交叉極化，普通單面微帶偶極子單元的交叉極化一般為-20 dB，這將會嚴重影響測角誤差[6]。為了改善交叉極化特性，利用電場的相互抵消特性，文獻[7]提出了雙面輻射微帶偶極子的設計方法，交叉極化分量有了明顯的改善，約為-35 dB，但交叉極化分量的分布并不平坦，僅是在法向角度附近區(qū)域量級較低，隨著角度的增大，量級會惡化至-30 dB左右[8]，交叉極化對單脈沖雷達的測角有著較為嚴重的影響，交叉極化增大后會引起方位或俯仰的失調角增大，從而造成目標的丟失[9]。此外交叉極化對抗干擾也有著不可忽視的影響，因此研究單脈沖雷達下的微帶相控陣的交叉極化特性對高性能雷達有著重要意義。

本文考慮了工程中裝夾夾具對天線的影響，提出了一種寬帶低交叉極化的相控陣單元，利用雙面印刷陣子電場反相抵消的特性和短路銷釘加載的方式，抑制饋電巴倫帶來的耦合效應，使得單元的交叉極化電平在很寬的角度上降低到了-50 dB的量級，波束掃描中交叉極化并未明顯抬高惡化現(xiàn)象，滿足相控陣單元對交叉極化的要求。

1 原理分析

天線設計的極化或期望的極化稱為主極化，而與之正交的極化則稱為交叉極化，實際上不同形式的天線產生交叉極化的方式不同，交叉極化的量級也相差較大，為了描述天線的極化純度，業(yè)界提出了交叉極化鑒別率(XPD)，其定義為：

(1)

式中:Em為天線的主極化；Ec為天線的交叉極化。

Vivaldi天線屬于行波天線，其電場是在不斷流動的，目前還難以給出電場和磁場的準確計算公式。不失一般性，利用微帶偶極子的特性推導出了交叉極化的公式[10]，假設垂直極化為主極化：

(2)

式中：EV、EH表示電場的垂直極化分量和水平極化分量;θ、φ表示空間的俯仰角和方位角。

由式(2)可以看出，線極化的交叉極化鑒別率是一個關于空間剖面、掃描角的函數(shù)，極化比隨著掃描角改變而改變。對于相控陣天線來說，交叉極化隨著掃描角度的增大而增大，這就給大掃描角下的雷達性能較大的影響，因此需要研究波束掃描下的交叉極化的變化情況。

2 單元設計

Vivaldi天線是一種超寬帶天線，能夠在很寬的頻帶內保持良好的匹配特性，在寬帶相控陣中得到了廣泛的使用。常見的Vivaldi天線有單面、雙面及對踵等形式，每種天線都有各自的特點?？紤]到工程應用，本文選取形式為帶狀線巴倫饋電的雙面微帶偶極子的形式，天線由雙面微帶偶極子、帶狀線饋電巴倫、金屬夾具底座、短路銷釘(金屬化過孔)、微帶線與同軸連接器等組成，結構如圖1所示。

圖1 微帶饋電的雙面Vivaldi天線模型圖

天線的表面波是Vivaldi天線產生交叉極化較高的主要原因。很據(jù)天線的電場分布，雙面偶極子相對于單面偶極子具有更寬的寬帶特性和較低的交叉極化特性，單面偶極子的電場分布與雙面偶極子電場分布對比圖如圖2所示。

圖2 單雙面偶極子電場分布圖

從電場分布可以看出，采用雙層介質板后，介質板中的橫向交叉極化分量相互抵消，交叉極化分量相對于單面會有明顯的改善，電平一般為-20～30 dB量級：相對于單面天線，雙面Vivaldi天線在一定程度上利用雙面電場的互相抵消特性顯著改善了天線的交叉極化特性，饋電巴倫的輻射也得到了抑制，但是絕對量級依然不夠，且只是在法向附近一個較小的角度內實現(xiàn)較低的交叉極化電平，其余角度依然較高，不滿足相控陣單元對交叉極化的要求。

Vivaldi天線是行波天線，由行波天線原理可知，電磁波在槽線中邊流動邊輻射，從而能夠實現(xiàn)寬帶工作，但在實際中發(fā)現(xiàn)，Vivaldi天線中不僅有行波能量還有駐波能量。駐波能量的主要來源是天線在低頻工作中，由于天線的尺寸或寬度不能滿足低頻天線的輻射要求，使得低頻能量不能夠完全而有效地輻射。一部分能量會通過端口反射回來；一部分能量會以表面波形式再次輻射。由于掃描角的需要，相控陣天線尺寸受到了間距的很大限制，一般約為二分之一個波長，這也就使得天線寬度必須壓縮在一個較小的尺寸內。為了減小天線的尺寸，微帶天線通常選用介電常數(shù)較高、損耗較小的基板。即便如此，也難以滿足低頻駐波對天線基板尺寸的要求，只能優(yōu)化巴倫與天線輸入阻抗，從而滿足匹配的要求，但這是以犧牲天線的交叉極化電平和增益來換取有源駐波的匹配。

表面波不僅是產生交叉極化的原因，饋電網絡對交叉極化的貢獻亦不可忽略。對天線及饋電巴倫進行了仿真，電場對比如圖3所示。

圖3 天線電場分布圖(饋電為抑制)

從雙面Vivaldi電場分布圖上可明顯看出，該類型的天線饋電巴倫多為帶狀線，且在槽線的起始處為開路狀態(tài)，電磁波在流經巴倫時，由于介質板內能量有較大的耦合效應，使得巴倫的能量一部分順著巴倫流向了天線，一部分耦合至微帶基板的邊緣，饋線路徑上的耦合及開路處的耦合共同使得天線邊緣處的非輻射能量增加，嚴重惡化了交叉極化?；诖耍瑸榱艘种起侂姲蛡惖鸟詈闲?，可以采取多種措施。本文采用較為簡單、也易于加工的金屬化過孔對耦合效應進行抑制，在饋電線的兩邊及饋電與天線單元間增加一排金屬化過孔，橫向上束縛饋電巴倫的能量，縱向上將輻射區(qū)域與饋電區(qū)域進行隔離，通過優(yōu)化金屬化過孔的位置和排列重新對電場分布進行分析和仿真，如圖4所示。

圖4 天線電場分布圖(饋電抑制)

增加金屬化過孔抑制饋電耦合效應后，天線輻射的電場與饋電巴倫對基板的耦合二者相互耦合顯著減小，饋電能量得到了有效的束縛，優(yōu)化后交叉極化在整個方位角度內低于-40 dB，法向附近優(yōu)于-50 dB，較未增加隔離措施的情況增加了約為-20 dB。饋電抑制后天線單元方向圖如圖5所示。

圖5 饋電抑制后天線單元方向圖

3 陣列掃描

相控陣天線由于間距減小，單元之間的互耦影響不可忽略，為了評估互耦對交叉極化特性的影響，也同時檢驗陣中單元方向圖是否有盲點，需要在互耦環(huán)境下對單元進行評估，這里建立了一個7×7的陣列，中心單元在2個主平面上各考慮了2圈單元的互耦，互耦量級約為-23 dB，呈單調下降趨勢，陣中單元歸一化方向圖如圖6所示，單元增益約為7 dB，全角度內交叉極化曲線較為平坦，最大交叉極化量級約為-45 dB，與孤立單元基本相當，完全滿足低交叉極化相控陣天線單元的要求。

圖6 陣中單元有源方向圖

由公式(2)可知，交叉極化會隨著掃描方向圖波位的增加而增加，尤其是在大角度時，交叉極化會有明顯的惡化，主要是由于較強互耦引起的反射所致。為了驗證掃描后方向圖的交叉極化抑制情況，按照天線實際長度沿著天線的E面和H面分別組建了十二單元的線陣，波束掃描范圍為±45°，掃描角間隔15°，給出了掃描至45°的陣列2個主平面的方向圖，如圖7、圖8所示。

圖7 單元線陣掃描方向圖(H面)

圖8 單元線陣掃描方向圖(E面)

從仿真結果可看出，E面、H面掃描至45°波位，E面交叉極化略高，約為-48 dB，H面為-52 dB，在整個掃描過程中，天線主波束掃描正常，電平一直保持在-45 dB以下，交叉極化無明顯惡化和抬高現(xiàn)象，滿足相控陣天線低交叉極化的要求。

4 結 論

本文主要對影響微帶天線的交叉極化的主要因素進行了分析，設計了一種同軸轉帶狀線巴倫饋電的雙面Vivaldi天線，利用雙面印刷陣子電場反相抵消的特性和采用短路銷釘加載的方式，抑制了饋電巴倫帶來的耦合效應，使得單元的交叉極化電平在很寬的角度上降低到了-50 dB的量級。對單元進行組陣，陣中有源方向圖正常無畸變，交叉極化較為平坦，約為-45 dB，同時沿著E面、H面組陣進行波束掃描，波束掃描正常，掃描過程中交叉極化電平最大一直保持在-45 dB以下，無明顯惡化和抬高現(xiàn)象，設計的Vivaldi相控陣天線具有寬帶、低交叉極化的特性，滿足相控陣天線組陣的要求。該方法簡單、有效，為低交叉極化的相控陣單元設計提供了一條有效的技術途徑。