新型高增益双频段共口径天线阵适用于现代通信系统

0 引言

随着现代无线通信技术的快速发展，天线在民用、军事中的应用越来越广泛，人们对天线性能和功能提出了越来越高的要求。共口径天线是一种新型天线形式，它通过空间上的合理布局，减小不同工作频率天线之间的电磁耦合，从而使得多副不同功能的天线可以在同一口径面内相互独立地工作［1］。此外，天线采用双频段，不仅可以缩小天线尺寸，减轻重量，而且对于提高天线的灵活性和降低雷达探测系统的造价都非常有利［2］。因此，双频段共口径天线的研究具有重要的意义。

目前已经有大量的关于共口径天线的研究，例如文献［3］中提出了一种平面双极化超宽带共口径微带天线，实现了超宽带、高隔离度特征。文献［4］介绍了一种应用于X/Ku/Ka三个波段的双极化平面天线，将三种天线集成在一个口径面上，具备低成本、高集成度、高隔离度、高性能的优点，是已知的第一款应用于X/Ku/Ka三波段的双极化共口径天线阵。

本文在参考以上研究的基础上，提出了一种超宽带高增益双频段共口径天线阵，天线采用全金属材质，选择Vivaldi双极化天线阵列和波导缝隙天线阵集成到同一孔径上，并通过脊结构的扁平设计和天线阵列的合理布局［5］，很大程度上消除了两个天线之间的相互影响，具有隔离度高的优点，同时实现了体积小、宽频带、高增益的性能效果，仿真结果显示该天线具有出色的性能，可应用于现代工程应用。

1 天线结构描述

如图1所示，该共口径天线的结构可分为3部分：4个T形组合的双极化天线，一个6×6的波导缝隙阵列天线，一块圆形金属基板［6］。金属板的半径为300 mm，上方为双极化天线，下方为X波段天线。辐射波沿z轴方向传播。

如图2所示，该天线采用全金属Vivaldi实现双极化天线的设计，Vivaldi天线属于非频变天线，该类天线具有工作频带宽、辐射定向性良好、输入阻抗稳定、效率高、结构简单、平面易集成的特点，因此十分容易实现超宽带的指标，同时因为其强端射特性，通过两个天线单元T形组合，可以实现双极化特性［7］。

图2为该Vivaldi单元天线的结构示意图，单元尺寸为60 mm×8.0 mm×110 mm。全金属Vivaldi的渐变曲线指数公式如下［8］：

其中p1（x1，y1），p2（x2，y2）分别为渐变线的起点和终点。另外，为了展宽全金属Vivaldi单元的低频段工作区，对渐变曲线进行了加脊处理。图3为两个Vivaldi天线T形组合得到的双极化天线。

经过HFSS软件的仿真，表1中给出了该全金属Vivaldi天线单元的最优尺寸数值。

图4所示为波导缝隙天线阵列的结构示意图，天线尺寸为142 mm×20 mm×120 mm。该波导缝隙阵列天线包括辐射矩形波导阵列、馈电矩形波导和同轴馈电线三个部分。6个辐射矩形波导阵列纵向并排排列，馈电矩形波导位于辐射矩形波导阵列长边中心的正下方。

每个辐射矩形波导阵列开有6个偏置辐射缝隙，辐射缝隙排列在馈电矩形波导中心线的两侧。与传统波导缝隙阵列相比，6×6辐射矩形波导阵列能够有效地增强天线增益。如图5所示，这些宽度相同的偏置辐射缝隙以λg/2长度为缝隙间隔，排列在馈电矩形波导中心线的两侧，其长度和偏移中心线距离根据电导与长度的反三角函数计算出。这样的缝隙结构能够实现天线的低副瓣性能，有效地提高天线增益。表2给出了该辐射波导及辐射缝隙的最优尺寸数值。

如图6所示，馈电矩形波导开有6个耦合缝隙，倾斜排列在馈电矩形波导的宽边中心线处。宽度和长度均相同的耦合缝隙设置间距为λg/2，能够减小方向图主瓣偏离阵列法线的角度。耦合缝隙的倾斜程度决定耦合到辐射矩形波导阵列的能量大小，通过仿真软件HFSS优化，表3给出了该馈电波导及耦合缝隙的最优尺寸数值。

在馈电矩形波导的底部设置有同轴馈电线及其接口，同轴馈电线对馈电矩形波导馈电，再由耦合缝隙对6×6辐射矩形波导阵列馈电，最后通过偏置辐射缝隙向上辐射能量。能量经过辐射矩形波导阵列的缝隙时，一部分横向电流将被截断，在缝隙中点两侧形成附加纵向电流，其中的一部分位移电流使缝隙得到激励，能量通过偏置辐射缝隙向波导外辐射出去。

2 仿真结果

在对上述共口径天线的结构进行描述之后，通过HFSS软件对共口径天线的参数进行仿真。

经过仿真测试，对Vivaldi双极化天线阵单独进行馈电时，Vivaldi天线单元驻波比在2.33 GHz～12 GHz的频段内均小于3，如图7所示。其端口隔离度在该工作频段内均小于17 dB，在中心点处大于45 dB，如图8所示。

对X波段波导缝隙阵列天线单独进行馈电时，波导缝隙阵天线能够正常工作在9.8 GHz～10.3 GHz频段，如图9所示。

单独进行馈电时，波导缝波导缝隙阵列天线在10.0 GHz下的三维辐射图如图10所示。可见Vivaldi双极化天线对其工作影响甚微，体现了优良的隔离效果，实现了高增益、高隔离度的特点。

3 结论

本文介绍了一种新型高增益双频段共口径天线阵，将超宽带双极化全金属Vivaldi天线和高增益波导缝隙阵天线以共口径的形式放置在同一口径空间内，结构紧凑，提高了口径利用率，并通过天线阵列的合理布局，解决了共口径天线隔离效果较差的难题。仿真结果表明，该天线的工作频率在2.33～12 GHz和9.7～10.3 GHz内，其驻波比小于3（相对带宽为135%）。具有隔离度高、超宽带、高增益、口径效率高等优点，适用于现代通信系统。

参考文献

［1］ 宋航。共口径天线的研究与设计［D］。西安：电子科技大学，2016.

［2］ 钟顺时，瞿新安，张玉梅，等。共用口径SA双波段双极化微带天线阵［J］。电波科学学报，2008，23（2）：305-309.

［3］ JIANG X L，LI Y，ZHANG Z J，et al.Planar dual-polarized UWB antenna with common aperture and high isolation［J］.Antennas and Propagation Society International Symposium，2013（7）：21-22.

［4］ MAO C X，GAO S，LUO Q，et al.Low-cost X/Ku/Ka-band dual-polarized array with shared aperture［J］.IEEE Transactions on Antennas and Propagation，2017，65：3520-3527.

［5］ 水颍。双极化高隔离度天线的研究与设计［D］。杭州：杭州电子科技大学，2011.

［6］ GAO G M，ZHANG Y M，LI A，et al.Shared-aperature Ku/Ka bands microwave array feeds for parabolic cylindrical reflector［C］.2010 International Conference on Microwave and Millimeter Wave Technology，Chengdu，2010：1028-1030.

［7］ VETHARATNA M G，KUAN C B，TEIK C H.Combined feed network for a shared-aperture dual-band dual-polarized array［J］.IEEE Antennas and Wireless Propagat Lett，2005，4：297-299.

［8］ 陈金，胡明春，张金平，等。超宽带全金属Vivaldi天线的设计［J］。现代雷达，2015，37（12）：61-64.