差分电路的二元子阵对称式Vivaldi天线阵列设计

广东纳睿雷达科技股份有限公司 敖少鹏 辛永豪 包晓军 李 琳 刘远曦

在传统Vivaldi天线的基础上，设计一种基于差分电路的二元子阵对称式新型天线。天线由两个对称的传统Vivaldi天线组成，但其相位设计上相差180°，使其辐射能同相叠加。该天线兼备超宽带与高增益，优化了传统Vivaldi天线在交叉极化上的性能，其对称结构也有助于降低天线的交叉极化。文献最后设计优化了一个1h12的宽带高增益线性阵列，在增益高达18.7dBi的情况下，其带宽达31.6%，且方向图的交叉极化在-50dB以下。

在现代卫星通信和雷达系统中，要求天线系统同时具备宽带和双极化特性，以提升信息传输容量、信号接收的质量以及带宽利用率。Vivaldi天线是一种非周期的行波天线，具有产生宽带辐射的能力。这种锥形槽缝式天线（Tapered Slot Antenna,TSA）是Gibson于1979年提出，由一条微带槽缝向外扩张到某一宽度，并在该宽度上向外辐射信号。从理论上说，TSA的工作原理是因为限制在槽线中的磁场能够与槽的边缘解耦，并随着槽缝宽度的增加而辐射。与谐振天线相比，TSA最大的优点是能够在大带宽上工作，并由于该结构是开放式的，因此几乎没有输出波的反射，沿边缘的电流反射也很小。

Vivaldi天线起源于锥形槽缝式天线，保留有TSA超宽带的性能，并兼备高增益且对称的E面和H面的方向图。近年来，国内外很多学者对Vivaldi天线进行了深入研究和各种改进，如Logan J T将Vivaldi的辐射臂进行水平切片以降低垂直与水平电流之比，从而有效地控制行波阵列中的辐射交叉极化水平；吴青龙等利用波纹开眼对拓型结构对Vivaldi天线进行改善，实现天线小型化；Xu H利用两个正交的Vivaldi天线实现双极化，其辐射臂引入条形波纹来获得良好的阻抗匹配和辐射方向图。

本文提出了一种基于差分电路的二元子阵对称式新型Vivaldi天线单元，是由两个基础Vivaldi天线组成。其中，位于同一平面的两个基础单元在结构上是镜面对称的，但两者之间引入180°相差，使其辐射能同相叠加。该结构下的Vivaldi天线能实现高增益与大宽带兼备，且其对称结构有助于降低交叉极化，具有较好的工程实践意义。

1 天线设计

传统Vivaldi天线采用微带线耦合槽缝进行馈电，并使得信号沿指数开口由窄端向宽端传输，最终向自由空间辐射。当槽线两侧的间距与自由空间波长相比非常小时，行波中的能量与导体紧密结合，然而随着间距的增加，行波中的能量逐渐变弱并与辐射场耦合。同时，这也是Vivaldi天线能实现超宽带的本质所在，以指数形式拓宽槽线实现各个频率信号的辐射，其槽线的窄端对应天线的最高频率，宽端对应最低频率。

如图1所示，为仿真设计的传统Vivaldi天线，其馈点为带状线和指数开口的喇叭状槽缝末端的垂直交叉处，信号沿着喇叭状槽缝传输并最终向外辐射。该指数喇叭状轮廓由开口率a和两点的坐标与有关：

图1 传统Vivaldi天线的仿真设计

其中：

从仿真设计结果来看，传统Vivaldi天线要想获得大带宽则其增益偏低，要想增益高则带宽较小。而且传统Vivaldi天线的交叉极化不高，约在-20～-30dB的范围之间。

但对单脉冲雷达来说，交叉极化影响着雷达测角的性能。交叉极化的增加会引起方位/俯仰的失调角增大，造成目标的丢失。此外，在抗干扰方面交叉极化也有着不可忽视的影响，因此研究单脉冲雷达下的相控阵的交叉极化特性对高性能雷达有着重要意义。

为此，我们研究设计了一种兼备高增益与大带宽的新型Vivaldi天线，同时优化了其交叉极化。如图2所示，该新型天线是基于差分电路的二元对称式模型，由两个对称的传统Vivaldi天线组成，但其相位设计上相差180°，使其辐射能同相叠加。天线的仿真结果如图3～4所示，回波损耗在满足-10dB以下的带宽为8.9～11.9GHz，相对带宽达31.9%。其增益可达8.03dB，且交叉极化低于-30dB。其主要仿真参数如表1所示。

表1 天线单元主要参数（单位：mm）

图2 基于差分电路的二元子阵对称式Vivaldi天线

图3 二元对称式Vildi天线的S11参数

图4 二元对称式Vivaldi天线的增益

其中，Lta是带状线与槽线的转换中心到指数开口下端的距离；Ltc是转换中心到圆形背腔上端的距离；Dsl是圆形背腔的直径；Lg是圆形背腔底端到天线下边界的距离；a是指数开口的曲率；b是整个天线的宽度；d是整个天线的高度；t是介质基板的厚度。

2 阵列设计

一般而言，诸如相控阵雷达这等大型阵列的设计，会以小阵列进行模拟并对天线阵元进行优化微调。小阵列的分析主要包括阵元的互耦对中心单元的影响以及有源反射系数的特性。而互耦效应与阵元之间的距离有关，因此阵列边缘的单元对中心单元的影响较小。所以，小型阵列的设计可以以中心阵元距离阵列边缘2～3个波长的尺寸为准，即可模拟大型阵列天线的性能特性。

本文利用主从边界对上文设计的二元对称式Vivaldi天线进行设计了一个无限大的阵列单元，这种模拟方式包含了阵列的互耦效应以及阵列环境下单元的辐射特性，从而方便阵元的优化微调。最后，将优化好的单元天线进行1h12的线性阵列排布，其仿真后的结果如图5～6所示。从仿真结果来看，以中心频率9.4GHz的阵列带宽达31.6%，阵列增益高达18.7dBi，且交叉极化在-50dB以下。

图5 二元子阵对称式Vivaldi天线阵列的S11参数

图6 二元子阵对称式Vivaldi天线阵列的增益

3 结论

本文设计了一种基于差分电路的二元子阵对称式Vivaldi天线，兼备大宽带与高增益的同时具备超低的交叉极化。从仿真结果来看，阵列具有超宽的带宽特性，其相对带宽达到31.6%，增益高达18.7dBi的同时具备-50dB以下的交叉极化。以该新型天线设计的小型线阵验证了其在大型阵列运用的可能，对相控阵雷达系统的设计研究具有较好的指导意义。