新型高增益雙頻段共口徑天線陣適用于現(xiàn)代通信系統(tǒng)

0 引言

隨著現(xiàn)代無線通信技術(shù)的快速發(fā)展，天線在民用、軍事中的應(yīng)用越來越廣泛，人們對天線性能和功能提出了越來越高的要求。共口徑天線是一種新型天線形式，它通過空間上的合理布局，減小不同工作頻率天線之間的電磁耦合，從而使得多副不同功能的天線可以在同一口徑面內(nèi)相互獨(dú)立地工作［1］。此外，天線采用雙頻段，不僅可以縮小天線尺寸，減輕重量，而且對于提高天線的靈活性和降低雷達(dá)探測系統(tǒng)的造價都非常有利［2］。因此，雙頻段共口徑天線的研究具有重要的意義。

目前已經(jīng)有大量的關(guān)于共口徑天線的研究，例如文獻(xiàn)［3］中提出了一種平面雙極化超寬帶共口徑微帶天線，實(shí)現(xiàn)了超寬帶、高隔離度特征。文獻(xiàn)［4］介紹了一種應(yīng)用于X/Ku/Ka三個波段的雙極化平面天線，將三種天線集成在一個口徑面上，具備低成本、高集成度、高隔離度、高性能的優(yōu)點(diǎn)，是已知的第一款應(yīng)用于X/Ku/Ka三波段的雙極化共口徑天線陣。

本文在參考以上研究的基礎(chǔ)上，提出了一種超寬帶高增益雙頻段共口徑天線陣，天線采用全金屬材質(zhì)，選擇Vivaldi雙極化天線陣列和波導(dǎo)縫隙天線陣集成到同一孔徑上，并通過脊結(jié)構(gòu)的扁平設(shè)計(jì)和天線陣列的合理布局［5］，很大程度上消除了兩個天線之間的相互影響，具有隔離度高的優(yōu)點(diǎn)，同時實(shí)現(xiàn)了體積小、寬頻帶、高增益的性能效果，仿真結(jié)果顯示該天線具有出色的性能，可應(yīng)用于現(xiàn)代工程應(yīng)用。

1 天線結(jié)構(gòu)描述

如圖1所示，該共口徑天線的結(jié)構(gòu)可分為3部分：4個T形組合的雙極化天線，一個6×6的波導(dǎo)縫隙陣列天線，一塊圓形金屬基板［6］。金屬板的半徑為300 mm，上方為雙極化天線，下方為X波段天線。輻射波沿z軸方向傳播。

如圖2所示，該天線采用全金屬Vivaldi實(shí)現(xiàn)雙極化天線的設(shè)計(jì)，Vivaldi天線屬于非頻變天線，該類天線具有工作頻帶寬、輻射定向性良好、輸入阻抗穩(wěn)定、效率高、結(jié)構(gòu)簡單、平面易集成的特點(diǎn)，因此十分容易實(shí)現(xiàn)超寬帶的指標(biāo)，同時因?yàn)槠鋸?qiáng)端射特性，通過兩個天線單元T形組合，可以實(shí)現(xiàn)雙極化特性［7］。

圖2為該Vivaldi單元天線的結(jié)構(gòu)示意圖，單元尺寸為60 mm×8.0 mm×110 mm。全金屬Vivaldi的漸變曲線指數(shù)公式如下［8］：

其中p1（x1，y1），p2（x2，y2）分別為漸變線的起點(diǎn)和終點(diǎn)。另外，為了展寬全金屬Vivaldi單元的低頻段工作區(qū)，對漸變曲線進(jìn)行了加脊處理。圖3為兩個Vivaldi天線T形組合得到的雙極化天線。

經(jīng)過HFSS軟件的仿真，表1中給出了該全金屬Vivaldi天線單元的最優(yōu)尺寸數(shù)值。

圖4所示為波導(dǎo)縫隙天線陣列的結(jié)構(gòu)示意圖，天線尺寸為142 mm×20 mm×120 mm。該波導(dǎo)縫隙陣列天線包括輻射矩形波導(dǎo)陣列、饋電矩形波導(dǎo)和同軸饋電線三個部分。6個輻射矩形波導(dǎo)陣列縱向并排排列，饋電矩形波導(dǎo)位于輻射矩形波導(dǎo)陣列長邊中心的正下方。

每個輻射矩形波導(dǎo)陣列開有6個偏置輻射縫隙，輻射縫隙排列在饋電矩形波導(dǎo)中心線的兩側(cè)。與傳統(tǒng)波導(dǎo)縫隙陣列相比，6×6輻射矩形波導(dǎo)陣列能夠有效地增強(qiáng)天線增益。如圖5所示，這些寬度相同的偏置輻射縫隙以λg/2長度為縫隙間隔，排列在饋電矩形波導(dǎo)中心線的兩側(cè)，其長度和偏移中心線距離根據(jù)電導(dǎo)與長度的反三角函數(shù)計(jì)算出。這樣的縫隙結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)天線的低副瓣性能，有效地提高天線增益。表2給出了該輻射波導(dǎo)及輻射縫隙的最優(yōu)尺寸數(shù)值。

如圖6所示，饋電矩形波導(dǎo)開有6個耦合縫隙，傾斜排列在饋電矩形波導(dǎo)的寬邊中心線處。寬度和長度均相同的耦合縫隙設(shè)置間距為λg/2，能夠減小方向圖主瓣偏離陣列法線的角度。耦合縫隙的傾斜程度決定耦合到輻射矩形波導(dǎo)陣列的能量大小，通過仿真軟件HFSS優(yōu)化，表3給出了該饋電波導(dǎo)及耦合縫隙的最優(yōu)尺寸數(shù)值。

在饋電矩形波導(dǎo)的底部設(shè)置有同軸饋電線及其接口，同軸饋電線對饋電矩形波導(dǎo)饋電，再由耦合縫隙對6×6輻射矩形波導(dǎo)陣列饋電，最后通過偏置輻射縫隙向上輻射能量。能量經(jīng)過輻射矩形波導(dǎo)陣列的縫隙時，一部分橫向電流將被截斷，在縫隙中點(diǎn)兩側(cè)形成附加縱向電流，其中的一部分位移電流使縫隙得到激勵，能量通過偏置輻射縫隙向波導(dǎo)外輻射出去。

2 仿真結(jié)果

在對上述共口徑天線的結(jié)構(gòu)進(jìn)行描述之后，通過HFSS軟件對共口徑天線的參數(shù)進(jìn)行仿真。

經(jīng)過仿真測試，對Vivaldi雙極化天線陣單獨(dú)進(jìn)行饋電時，Vivaldi天線單元駐波比在2.33 GHz～12 GHz的頻段內(nèi)均小于3，如圖7所示。其端口隔離度在該工作頻段內(nèi)均小于17 dB，在中心點(diǎn)處大于45 dB，如圖8所示。

對X波段波導(dǎo)縫隙陣列天線單獨(dú)進(jìn)行饋電時，波導(dǎo)縫隙陣天線能夠正常工作在9.8 GHz～10.3 GHz頻段，如圖9所示。

單獨(dú)進(jìn)行饋電時，波導(dǎo)縫波導(dǎo)縫隙陣列天線在10.0 GHz下的三維輻射圖如圖10所示?？梢奦ivaldi雙極化天線對其工作影響甚微，體現(xiàn)了優(yōu)良的隔離效果，實(shí)現(xiàn)了高增益、高隔離度的特點(diǎn)。

3 結(jié)論

本文介紹了一種新型高增益雙頻段共口徑天線陣，將超寬帶雙極化全金屬Vivaldi天線和高增益波導(dǎo)縫隙陣天線以共口徑的形式放置在同一口徑空間內(nèi)，結(jié)構(gòu)緊湊，提高了口徑利用率，并通過天線陣列的合理布局，解決了共口徑天線隔離效果較差的難題。仿真結(jié)果表明，該天線的工作頻率在2.33～12 GHz和9.7～10.3 GHz內(nèi)，其駐波比小于3（相對帶寬為135%）。具有隔離度高、超寬帶、高增益、口徑效率高等優(yōu)點(diǎn)，適用于現(xiàn)代通信系統(tǒng)。

參考文獻(xiàn)

［1］ 宋航。共口徑天線的研究與設(shè)計(jì)［D］。西安：電子科技大學(xué)，2016.

［2］ 鐘順時，瞿新安，張玉梅，等。共用口徑SA雙波段雙極化微帶天線陣［J］。電波科學(xué)學(xué)報，2008，23（2）：305-309.

［3］ JIANG X L，LI Y，ZHANG Z J，et al.Planar dual-polarized UWB antenna with common aperture and high isolation［J］.Antennas and Propagation Society International Symposium，2013（7）：21-22.

［4］ MAO C X，GAO S，LUO Q，et al.Low-cost X/Ku/Ka-band dual-polarized array with shared aperture［J］.IEEE Transactions on Antennas and Propagation，2017，65：3520-3527.

［5］ 水潁。雙極化高隔離度天線的研究與設(shè)計(jì)［D］。杭州：杭州電子科技大學(xué)，2011.

［6］ GAO G M，ZHANG Y M，LI A，et al.Shared-aperature Ku/Ka bands microwave array feeds for parabolic cylindrical reflector［C］.2010 International Conference on Microwave and Millimeter Wave Technology，Chengdu，2010：1028-1030.

［7］ VETHARATNA M G，KUAN C B，TEIK C H.Combined feed network for a shared-aperture dual-band dual-polarized array［J］.IEEE Antennas and Wireless Propagat Lett，2005，4：297-299.

［8］ 陳金，胡明春，張金平，等。超寬帶全金屬Vivaldi天線的設(shè)計(jì)［J］?，F(xiàn)代雷達(dá)，2015，37（12）：61-64.