《電子技術(shù)應(yīng)用》
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一種新型高增益雙頻段共口徑天線陣的設(shè)計(jì)
2019年電子技術(shù)應(yīng)用第2期
喬旭光1，姜兆能1，2，趙曉燕1，稅明月1，盧笑池1，張棒棒1
1.合肥工業(yè)大學(xué) 信息工程系，安徽 宣城242000；2.毫米波國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京210096
摘要： 提出了一種新型超寬帶（UWB）高增益的雙頻段共口徑天線陣。該天線陣由四個(gè)T形組合的雙極化天線、一個(gè)6×6的波導(dǎo)縫隙陣列天線和一塊圓形金屬基板組成。雙極化天線工作于2.33～12 GHz，采用全金屬Vivaldi天線T形排列，位于金屬板上方。波導(dǎo)縫隙天線陣工作于X波段9.8～10.3 GHz，位于金屬板下方。雙極化天線陣與波導(dǎo)縫隙天線陣位于同一陣面，由圓形金屬板分隔開，提高空間利用率的同時(shí)能有效減少天線之間的互耦，解決了共口徑天線隔離效果較差的難題。采用HFSS軟件仿真，仿真結(jié)果顯示該共口徑天線陣具有隔離度高、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)和電子對(duì)抗領(lǐng)域。
中圖分類號(hào)： TN82
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.181714
中文引用格式： 喬旭光，姜兆能，趙曉燕，等. 一種新型高增益雙頻段共口徑天線陣的設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2019，45(2)：37-39，44.
英文引用格式： Qiao Xuguang，Jiang Zhaoneng，Zhao Xiaoyan，et al. Design of a novel high gain dual-band common-aperture array antenna[J]. Application of Electronic Technique，2019，45(2)：37-39，44.
Design of a novel high gain dual-band common-aperture array antenna
Qiao Xuguang1，Jiang Zhaoneng1，2，Zhao Xiaoyan1，Shui Mingyue1，Lu Xiaochi1，Zhang Bangbang1
1.Department of Information Engineering，Hefei University of Technology，Xuancheng 242000，China； 2.State Key Laboratory of Millimeter Waves，Nanjing 210096，China
Abstract： This paper presents a new ultra-wideband(UWB) high-gain dual-band common-aperture array antenna. The antenna consists of four T-shaped dual-polarized antennas, a 6×6 waveguide slot array antenna, and a circular metal substrate. The dual-polarized antenna operates from 2.33 to 12 GHz and uses a large metal Vivaldi antenna array that sits above the metal plate. The waveguide slot antenna array operates in the X-band with 9.8～10.3 GHz and is located below the metal plate. The dual-polarization antenna array and the waveguide slot antenna array are located in the same plane and separated by a circular metal plate, which can improve the space utilization and can effectively reduce the mutual coupling between the antennas and solve the problem of poor isolation effect of common-aperture antenna. This article uses HFSS software simulating, the simulation results show that the common- aperture antenna array has the advantages of high polarization isolation, ultra-wideband, high gain, high aperture efficiency, and is suitable for modern communication systems and electronic countermeasures.
Key words : ultra-wideband(UWB)；high gain；high polarization isolation；common-aperture antenna

0 引言

    隨著現(xiàn)代無(wú)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(lái)越廣泛，人們對(duì)天線性能和功能提出了越來(lái)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(duì)于提高天線的靈活性和降低雷達(dá)探測(cè)系統(tǒng)的造價(jià)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(gè)波段的雙極化平面天線，將三種天線集成在一個(gè)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(gè)天線之間的相互影響，具有隔離度高的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)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(gè)T形組合的雙極化天線，一個(gè)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。

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    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(jiǎn)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(shí)因?yàn)槠鋸?qiáng)端射特性，通過兩個(gè)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]：

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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(duì)漸變曲線進(jìn)行了加脊處理。圖3為兩個(gè)Vivaldi天線T形組合得到的雙極化天線。

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    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(gè)部分。6個(gè)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(zhǎng)邊中心的正下方。

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    每個(gè)輻射矩形波導(dǎo)陣列開有6個(gè)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(zhǎng)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(zhǎng)度和偏移中心線距離根據(jù)電導(dǎo)與長(zhǎng)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。

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    如圖6所示，饋電矩形波導(dǎo)開有6個(gè)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(zhǎng)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。

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    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(duì)饋電矩形波導(dǎo)饋電，再由耦合縫隙對(duì)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(shí)，一部分橫向電流將被截?cái)?，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(lì)，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(duì)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(duì)共口徑天線的參數(shù)進(jìn)行仿真。

    經(jīng)過仿真測(cè)試，對(duì)Vivaldi雙極化天線陣單獨(dú)進(jìn)行饋電時(shí)，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。

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    對(duì)X波段波導(dǎo)縫隙陣列天線單獨(dú)進(jìn)行饋電時(shí)，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。

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    單獨(dú)進(jìn)行饋電時(shí)，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(duì)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)。

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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(duì)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)

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[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].現(xiàn)代雷達(dá)，2015，37（12）：61-64.



作者信息:

喬旭光1，姜兆能1，2，趙曉燕1，稅明月1，盧笑池1，張棒棒1

（1.合肥工業(yè)大學(xué) 信息工程系，安徽 宣城242000；2.毫米波國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京210096）

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