高增益低副瓣X波段寬帶圓極化Vivaldi天線(xiàn)陣設(shè)計(jì)
摘要:設(shè)計(jì)了一種新型的覆蓋X波段的寬帶圓極化2×2天線(xiàn)陣,具有高增益、低副瓣和良好的圓極化性能。該陣列以Vivaldi天線(xiàn)為基本單元,采用旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)的十字形結(jié)構(gòu),四端口等幅饋電且相位依次為0°,90°,180°和270°。此天線(xiàn)陣在整個(gè)X波段內(nèi)阻抗匹配良好,軸比均低于3 dB采用矩形柵欄和底部扼流環(huán)結(jié)構(gòu)將天線(xiàn)地板上的表面電流集中在槽線(xiàn)附近并降低后向輻射,從而獲得低副瓣和高增益。頻段內(nèi)的峰值增益為10.7 dB,前后比大于20 dB。兩個(gè)主平面的方向圖對(duì)稱(chēng)性良好且基本重合。各天線(xiàn)單元間的低耦合使得天線(xiàn)陣的交叉極化很低。實(shí)物測(cè)試結(jié)果與仿真結(jié)果基本吻合。
本文引用地址:http://www.ex-cimer.com/article/201610/306436.htm隨著現(xiàn)代電磁學(xué)的發(fā)展,高性能圓極化天線(xiàn)的應(yīng)用愈加廣泛。圓極化天線(xiàn)具有旋向正交性,可與多種極化天線(xiàn)配合工作,且圓極化波入射到對(duì)稱(chēng)目標(biāo)時(shí)旋向逆轉(zhuǎn)。以上這些優(yōu)勢(shì)使得圓極化天線(xiàn)具有較強(qiáng)的抗干擾性能,在電子偵察與干擾、通信和雷達(dá)的極化分集工作、移動(dòng)通信與GPS等抑制雨霧干擾和抗多徑反射中得到了廣泛應(yīng)用。因此,近年來(lái)對(duì)圓極化天線(xiàn)的研究越來(lái)越廣泛,但是高增益低副瓣的寬帶圓極化天線(xiàn)比較少見(jiàn)。
Vivaldi天線(xiàn)具有高增益、寬頻帶、質(zhì)量輕和易加工制作等優(yōu)點(diǎn),在通信系統(tǒng)中有著越來(lái)越廣泛的應(yīng)用;應(yīng)用文獻(xiàn)的順序旋轉(zhuǎn)布陣方法可利用線(xiàn)極化單元組成圓極化陣列,且陣列天線(xiàn)較之單個(gè)天線(xiàn)來(lái)說(shuō),具有更高的增益。因此,本文以Vivaldi天線(xiàn)為單元,設(shè)計(jì)了一種2×2的小型旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)圓極化陣列,在整個(gè)X波段圓極化性能良好,軸比低于3 dB且方向圖對(duì)稱(chēng)性良好。為了進(jìn)一步提高增益降低副瓣,本文通過(guò)在天線(xiàn)單元上添加矩形柵欄和在陣列底部使用扼流環(huán)結(jié)構(gòu)的方法,達(dá)到了10.7 dB的峰值增益和高于20 dB的前后比。相比于文獻(xiàn),該陣列方向圖的對(duì)稱(chēng)性大大提高,增益前后比提高了5 dB以上,交叉極化隔離度也明顯改善。
1 天線(xiàn)單元設(shè)計(jì)
Vivaldi天線(xiàn)是一種寬頻帶、高增益的行波縫隙天線(xiàn),1979年由Gibson提出。Vivaldi天線(xiàn)有多種饋電形式,本文采用微帶線(xiàn)到槽線(xiàn)的耦合饋電結(jié)構(gòu),結(jié)構(gòu)如圖1(a)所示。
Vivaldi天線(xiàn)的饋電巴倫采用微帶線(xiàn)到槽線(xiàn)的交叉耦合結(jié)構(gòu),能量從饋電的微帶線(xiàn)耦合到槽線(xiàn)的矩形部分,從交叉部分看進(jìn)去,微帶線(xiàn)的扇形枝節(jié)起短路作用,槽線(xiàn)末端的圓形腔起開(kāi)路作用,選擇適當(dāng)?shù)某叽缈梢栽诤軐挼念l帶內(nèi)達(dá)到阻抗匹配。微帶線(xiàn)最細(xì)部分與矩形槽線(xiàn)特性阻抗相匹配,經(jīng)由切比雪夫阻抗變換器變換至50 Ω與同軸線(xiàn)相接。輻射槽線(xiàn)采用指數(shù)曲線(xiàn),表達(dá)式為
R為指數(shù)函數(shù)的漸變因子,決定天線(xiàn)的波束寬度。不同的工作頻點(diǎn)對(duì)應(yīng)相應(yīng)的縫寬,槽線(xiàn)最寬處和最窄處分別對(duì)應(yīng)最低和最高工作頻率的,因此可以根據(jù)槽線(xiàn)起點(diǎn)(X1,Y1)和終點(diǎn)(X2,Y2)的坐標(biāo)和選定的R值來(lái)確定確定公式(1)中的C1和C2的值:
槽線(xiàn)兩側(cè)的矩形柵欄用來(lái)遏制電流回流,讓表面電流集中在槽線(xiàn)附近,矩形柵欄的不同長(zhǎng)度對(duì)應(yīng)不同頻率的λ/4,從而在寬頻帶內(nèi)降低副瓣提高增益。柵欄對(duì)天線(xiàn)增益的影響如圖1(b)所示,可見(jiàn),在整個(gè)X波段,柵欄有效提高了天線(xiàn)增益。
本文所設(shè)計(jì)的天線(xiàn)采用厚度為0.787 mm的Rogers 5880介質(zhì)基板,相對(duì)介電常數(shù)2.2,天線(xiàn)單元的各參數(shù)如圖1(a)所示。根據(jù)陣列天線(xiàn)理論,相鄰兩陣元間距不宜過(guò)大,因此,天線(xiàn)單元兩邊不完全對(duì)稱(chēng)是為了在組陣時(shí)拉近相鄰陣元相位中心的距離。
2 圓極化天線(xiàn)陣設(shè)計(jì)
文獻(xiàn)提供了一種用線(xiàn)極化單元組成圓極化陣列的順序旋轉(zhuǎn)布陣法,本文采用這種方法,利用線(xiàn)極化的Vivaldi天線(xiàn)產(chǎn)生圓極化波。4片Vivaldi天線(xiàn)單元組成十字形旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu),4個(gè)端口相位依次為0°、90°、180°、270°,同一平面上的兩片天線(xiàn)相位中心相距15 mm(10 GHz處的半波長(zhǎng)),結(jié)構(gòu)如圖2(a)所示。一個(gè)圓極化波可以分解為兩個(gè)在空間上和在時(shí)間上均正交的等幅線(xiàn)極化波。由此,實(shí)現(xiàn)圓極化的基本原理就是:產(chǎn)生兩個(gè)空間上正交的線(xiàn)極化電場(chǎng)分量,并使二者振幅相等,相位相差90°。各天線(xiàn)單元旋轉(zhuǎn)正交放置,是為了產(chǎn)生兩個(gè)正交極化的波,不同的饋電相位則是為了滿(mǎn)足圓極化波所需的相位延遲。饋電網(wǎng)絡(luò)由購(gòu)買(mǎi)的超寬帶反相器和90°移相器組成,原理如圖2(b)所示。
在天線(xiàn)陣的底部,添加了一個(gè)高度10 mm,半徑25 mm的一端開(kāi)口的扼流環(huán),與文獻(xiàn)中的背腔結(jié)構(gòu)類(lèi)似,既能起到反射板的作用,又是一個(gè)諧振結(jié)構(gòu),把能量限制在腔體里,降低后向輻射,從而降低副瓣,由圖2(c)可以看出,此結(jié)構(gòu)使天線(xiàn)陣的副瓣降低了6 dB以上。
文中采用電磁仿真軟件HFSS13.0對(duì)天線(xiàn)進(jìn)行仿真并根據(jù)仿真模型制作了天線(xiàn)實(shí)物,如圖2(d)所示,饋電網(wǎng)絡(luò)的4個(gè)輸出端口與天線(xiàn)的4個(gè)饋電端口分別用四根等相位的同軸線(xiàn)相連。
3 仿真與實(shí)測(cè)結(jié)果分析
反射系數(shù)、軸比和增益的仿真與測(cè)試結(jié)果對(duì)比如圖3所示,可見(jiàn),在整個(gè)X波段,4個(gè)端口反射系數(shù)均小于-10 dB且軸比低于3 dB,仿真增益在8.5 dB和10.7 dB之間,測(cè)試增益略低于仿真結(jié)果。反射系數(shù)誤差主要是由加工誤差造成,而軸比和增益誤差則主要是由饋電網(wǎng)絡(luò)的損耗和相位誤差及測(cè)試誤差引起的。
曲線(xiàn)上有一些不平滑的點(diǎn),在這些點(diǎn)處諧振Q值很高,但軸比和增益性能惡化,這是由于天線(xiàn)陣中心的空隙和槽線(xiàn)周?chē)木匦螙艡谝鹆思纳C振,有待進(jìn)一步改進(jìn)。
8GHz和12GHz處方向圖的仿真與測(cè)試結(jié)果如圖4所示,兩個(gè)正交主平面的方向圖基本重合且對(duì)稱(chēng)性很好。半功率波瓣寬度的仿真值約為50°,測(cè)試值約為30°~40°。整個(gè)頻段內(nèi)的增益前后比高于20 dB。
10 GHz處主平面的軸比和交叉極化隨掃描角的變化如圖5所示。由于測(cè)試條件限制,這里只給出了交叉極化的仿真結(jié)果。由圖可以看出,在±20°掃描角范圍內(nèi),該頻點(diǎn)處的軸比低于3 dB且交叉極化比高于15 dB。由于各天線(xiàn)單元的位置相互正交,單元問(wèn)互耦遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)天線(xiàn)陣,因而這種陣列在主平面上的掃描角范圍要寬于傳統(tǒng)陣列。
4 結(jié)論
文中設(shè)計(jì)了一種四端口正交饋電的十字形Vivaldi小型陣列,通過(guò)產(chǎn)生兩個(gè)空間和時(shí)間上正交的等幅線(xiàn)極化電場(chǎng)分量,形成圓極化波。在整個(gè)X波段內(nèi),圓極化性能理想且增益高、副瓣低,具有較寬的掃描角。由于以上優(yōu)點(diǎn),此天線(xiàn)陣在無(wú)線(xiàn)通信中有著廣泛的應(yīng)用前景。
評(píng)論