高增益低副瓣X波段宽带圆极化Vivaldi天线阵设计

摘要：设计了一种新型的覆盖X波段的宽带圆极化2×2天线阵，具有高增益、低副瓣和良好的圆极化性能。该阵列以Vivaldi天线为基本单元，采用旋转对称的十字形结构，四端口等幅馈电且相位依次为0°，90°，180°和270°。此天线阵在整个X波段内阻抗匹配良好，轴比均低于3 dB采用矩形栅栏和底部扼流环结构将天线地板上的表面电流集中在槽线附近并降低后向辐射，从而获得低副瓣和高增益。频段内的峰值增益为10.7 dB，前后比大于20 dB。两个主平面的方向图对称性良好且基本重合。各天线单元间的低耦合使得天线阵的交叉极化很低。实物测试结果与仿真结果基本吻合。

随着现代电磁学的发展，高性能圆极化天线的应用愈加广泛。圆极化天线具有旋向正交性，可与多种极化天线配合工作，且圆极化波入射到对称目标时旋向逆转。以上这些优势使得圆极化天线具有较强的抗干扰性能，在电子侦察与干扰、通信和雷达的极化分集工作、移动通信与GPS等抑制雨雾干扰和抗多径反射中得到了广泛应用。因此，近年来对圆极化天线的研究越来越广泛，但是高增益低副瓣的宽带圆极化天线比较少见。

Vivaldi天线具有高增益、宽频带、质量轻和易加工制作等优点，在通信系统中有着越来越广泛的应用;应用文献的顺序旋转布阵方法可利用线极化单元组成圆极化阵列，且阵列天线较之单个天线来说，具有更高的增益。因此，本文以Vivaldi天线为单元，设计了一种2×2的小型旋转对称圆极化阵列，在整个X波段圆极化性能良好，轴比低于3 dB且方向图对称性良好。为了进一步提高增益降低副瓣，本文通过在天线单元上添加矩形栅栏和在阵列底部使用扼流环结构的方法，达到了10.7 dB的峰值增益和高于20 dB的前后比。相比于文献，该阵列方向图的对称性大大提高，增益前后比提高了5 dB以上，交叉极化隔离度也明显改善。

1 天线单元设计

Vivaldi天线是一种宽频带、高增益的行波缝隙天线，1979年由Gibson提出。Vivaldi天线有多种馈电形式，本文采用微带线到槽线的耦合馈电结构，结构如图1(a)所示。

Vivaldi天线的馈电巴伦采用微带线到槽线的交叉耦合结构，能量从馈电的微带线耦合到槽线的矩形部分，从交叉部分看进去，微带线的扇形枝节起短路作用，槽线末端的圆形腔起开路作用，选择适当的尺寸可以在很宽的频带内达到阻抗匹配。微带线最细部分与矩形槽线特性阻抗相匹配，经由切比雪夫阻抗变换器变换至50 Ω与同轴线相接。辐射槽线采用指数曲线，表达式为

R为指数函数的渐变因子，决定天线的波束宽度。不同的工作频点对应相应的缝宽，槽线最宽处和最窄处分别对应最低和最高工作频率的，因此可以根据槽线起点(X1，Y1)和终点(X2，Y2)的坐标和选定的R值来确定确定公式(1)中的C1和C2的值：

槽线两侧的矩形栅栏用来遏制电流回流，让表面电流集中在槽线附近，矩形栅栏的不同长度对应不同频率的λ/4，从而在宽频带内降低副瓣提高增益。栅栏对天线增益的影响如图1(b)所示，可见，在整个X波段，栅栏有效提高了天线增益。

本文所设计的天线采用厚度为0.787 mm的Rogers 5880介质基板，相对介电常数2.2，天线单元的各参数如图1(a)所示。根据阵列天线理论，相邻两阵元间距不宜过大，因此，天线单元两边不完全对称是为了在组阵时拉近相邻阵元相位中心的距离。

2 圆极化天线阵设计

文献提供了一种用线极化单元组成圆极化阵列的顺序旋转布阵法，本文采用这种方法，利用线极化的Vivaldi天线产生圆极化波。4片Vivaldi天线单元组成十字形旋转对称结构，4个端口相位依次为0°、90°、180°、270°，同一平面上的两片天线相位中心相距15 mm(10 GHz处的半波长)，结构如图2(a)所示。一个圆极化波可以分解为两个在空间上和在时间上均正交的等幅线极化波。由此，实现圆极化的基本原理就是：产生两个空间上正交的线极化电场分量，并使二者振幅相等，相位相差90°。各天线单元旋转正交放置，是为了产生两个正交极化的波，不同的馈电相位则是为了满足圆极化波所需的相位延迟。馈电网络由购买的超宽带反相器和90°移相器组成，原理如图2(b)所示。

在天线阵的底部，添加了一个高度10 mm，半径25 mm的一端开口的扼流环，与文献中的背腔结构类似，既能起到反射板的作用，又是一个谐振结构，把能量限制在腔体里，降低后向辐射，从而降低副瓣，由图2(c)可以看出，此结构使天线阵的副瓣降低了6 dB以上。

文中采用电磁仿真软件HFSS13.0对天线进行仿真并根据仿真模型制作了天线实物，如图2(d)所示，馈电网络的4个输出端口与天线的4个馈电端口分别用四根等相位的同轴线相连。

3 仿真与实测结果分析

反射系数、轴比和增益的仿真与测试结果对比如图3所示，可见，在整个X波段，4个端口反射系数均小于-10 dB且轴比低于3 dB，仿真增益在8.5 dB和10.7 dB之间，测试增益略低于仿真结果。反射系数误差主要是由加工误差造成，而轴比和增益误差则主要是由馈电网络的损耗和相位误差及测试误差引起的。

曲线上有一些不平滑的点，在这些点处谐振Q值很高，但轴比和增益性能恶化，这是由于天线阵中心的空隙和槽线周围的矩形栅栏引起了寄生谐振，有待进一步改进。

8GHz和12GHz处方向图的仿真与测试结果如图4所示，两个正交主平面的方向图基本重合且对称性很好。半功率波瓣宽度的仿真值约为50°，测试值约为30°～40°。整个频段内的增益前后比高于20 dB。

10 GHz处主平面的轴比和交叉极化随扫描角的变化如图5所示。由于测试条件限制，这里只给出了交叉极化的仿真结果。由图可以看出，在±20°扫描角范围内，该频点处的轴比低于3 dB且交叉极化比高于15 dB。由于各天线单元的位置相互正交，单元问互耦远低于传统天线阵，因而这种阵列在主平面上的扫描角范围要宽于传统阵列。

4 结论

文中设计了一种四端口正交馈电的十字形Vivaldi小型阵列，通过产生两个空间和时间上正交的等幅线极化电场分量，形成圆极化波。在整个X波段内，圆极化性能理想且增益高、副瓣低，具有较宽的扫描角。由于以上优点，此天线阵在无线通信中有着广泛的应用前景。