文獻標識碼： 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計[J].電子技術應用，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.
0 引言
隨著現代無線通信技術的快速發展，天線在民用、軍事中的應用越來越廣泛，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相互獨立地工作[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探測系統的造價都非常有利[2]。因此，雙頻段共口徑天線的研究具有重要的意義。
目前已經有大量的關于共口徑天線的研究，例如文獻[3]中提出了一種平面雙極化超寬帶共口徑微帶天線，實現了超寬帶、高隔離度特征。文獻[4]介紹了一種應用于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、高性能的優點，是已知的第一款應用于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，選擇Vivaldi雙極化天線陣列和波導縫隙天線陣集成到同一孔徑上，并通過脊結構的扁平設計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，具有隔離度高的優點，同時實現了體積小、寬頻帶、高增益的性能效果，仿真結果顯示該天線具有出色的性能，可應用于現代工程應用。
1 天線結構描述
如圖1所示，該共口徑天線的結構可分為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實現雙極化天線的設計，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、輸入阻抗穩定、效率高、結構簡單、平面易集成的特點，因此十分容易實現超寬帶的指標，同時因為其強端射特性，通過兩個天線單元T形組合，可以實現雙極化特性[7]。
圖2為該Vivaldi單元天線的結構示意圖，單元尺寸為60 mm×8.0 mm×110 mm。全金屬Vivaldi的漸變曲線指數公式如下[8]：
其中p1(x1，y1)，p2(x2，y2)分別為漸變線的起點和終點。另外，為了展寬全金屬Vivaldi單元的低頻段工作區，對漸變曲線進行了加脊處理。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天線單元的最優尺寸數值。
圖4所示為波導縫隙天線陣列的結構示意圖，天線尺寸為142 mm×20 mm×120 mm。該波導縫隙陣列天線包括輻射矩形波導陣列、饋電矩形波導和同軸饋電線三個部分。6個輻射矩形波導陣列縱向并排排列，饋電矩形波導位于輻射矩形波導陣列長邊中心的正下方。
每個輻射矩形波導陣列開有6個偏置輻射縫隙，輻射縫隙排列在饋電矩形波導中心線的兩側。與傳統波導縫隙陣列相比，6×6輻射矩形波導陣列能夠有效地增強天線增益。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中心線的兩側，其長度和偏移中心線距離根據電導與長度的反三角函數計算出。這樣的縫隙結構能夠實現天線的低副瓣性能，有效地提高天線增益。表2給出了該輻射波導及輻射縫隙的最優尺寸數值。
如圖6所示，饋電矩形波導開有6個耦合縫隙，傾斜排列在饋電矩形波導的寬邊中心線處。寬度和長度均相同的耦合縫隙設置間距為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陣列的能量大小，通過仿真軟件HFSS優化，表3給出了該饋電波導及耦合縫隙的最優尺寸數值。
在饋電矩形波導的底部設置有同軸饋電線及其接口，同軸饋電線對饋電矩形波導饋電，再由耦合縫隙對6×6輻射矩形波導陣列饋電，最后通過偏置輻射縫隙向上輻射能量。能量經過輻射矩形波導陣列的縫隙時，一部分橫向電流將被截斷，在縫隙中點兩側形成附加縱向電流，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外輻射出去。
2 仿真結果
在對上述共口徑天線的結構進行描述之后，通過HFSS軟件對共口徑天線的參數進行仿真。
經過仿真測試，對Vivaldi雙極化天線陣單獨進行饋電時，Vivaldi天線單元駐波比在2.33 GHz～12 GHz的頻段內均小于3，如圖7所示。其端口隔離度在該工作頻段內均小于17 dB，在中心點處大于45 dB，如圖8所示。
對X波段波導縫隙陣列天線單獨進行饋電時，波導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。
單獨進行饋電時，波導縫波導縫隙陣列天線在10.0 GHz下的三維輻射圖如圖10所示。可見Vivaldi雙極化天線對其工作影響甚微，體現了優良的隔離效果，實現了高增益、高隔離度的特點。
3 結論
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天線和高增益波導縫隙陣天線以共口徑的形式放置在同一口徑空間內，結構緊湊，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。仿真結果表明，該天線的工作頻率在2.33～12 GHz和9.7～10.3 GHz內，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、口徑效率高等優點，適用于現代通信系統。
參考文獻
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[8] 陳金，胡明春，張金平，等.超寬帶全金屬Vivaldi天線的設計[J].現代雷達，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.合肥工業大學 信息工程系，安徽 宣城242000；2.毫米波國家重點實驗室，江蘇 南京210096）