李寧 王元源 廖原

摘 要：為了滿足未來(lái)雷達(dá)多功能、多任務(wù)的戰(zhàn)場(chǎng)需求，本文設(shè)計(jì)并制造了一種基于緊耦合的超寬帶天線，頻帶覆蓋6～18GHz。該天線具有超寬頻帶、剖面低、易共形等特點(diǎn)。仿真設(shè)計(jì)表明該陣列天線在超寬頻帶內(nèi)駐波低于2.1。

關(guān)鍵詞：緊耦合 超寬帶 仿真分析

中圖分類號(hào)：TN820 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2018）10（a）-0080-02

隨著現(xiàn)代雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中單一雷達(dá)或者單一武器已經(jīng)無(wú)法形成對(duì)敵方的有效壓制。倘若只是將原有的技術(shù)設(shè)備進(jìn)行簡(jiǎn)單疊加，一是很難實(shí)現(xiàn)壓制對(duì)方；二是疊加的武器系統(tǒng)很難避免互相的干擾；三是疊加的武器系統(tǒng)必然帶來(lái)資源的浪費(fèi)。傳統(tǒng)的單功能雷達(dá)天線，其工作帶寬一般控制在百分之十幾左右。為了提高天線的帶寬，相控陣?yán)走_(dá)出現(xiàn)在人們的視野里，但其拓展阻抗帶寬的方式局限于增加陣列單元來(lái)拓展帶寬。增加天線單元時(shí)需要抑制單元間的互耦，這就要求天線單元間的間距要擴(kuò)大，或者在天線單元間引入抑制互耦的結(jié)構(gòu)。間距的擴(kuò)大必然使相控陣的體積增大，這不利于后期相控陣的整形；加入抑制互耦的結(jié)構(gòu)必然增加相控陣的復(fù)雜度。這兩種方式并不利于相控陣的小型化，并且依據(jù)該設(shè)計(jì)方式設(shè)計(jì)的天線陣列效率并不高。

基于傳統(tǒng)相控陣設(shè)計(jì)的不利點(diǎn)，本文提出一種基于緊耦合的天線設(shè)計(jì)方式。該方法通過(guò)引入相鄰單元間的耦合電容來(lái)抵消地板所引起的感性效應(yīng)。由于緊耦合思想是為了引入單元間的耦合，單元間的距離可以做到很?。黄浯?，引入的耦合電容抵消掉地板的感性效應(yīng)，天線的阻抗帶寬可以得到很大提升，從而實(shí)現(xiàn)超寬頻帶的帶寬。且該類天線具有截面小、剖面低、RCS小等特點(diǎn)。針對(duì)該類基于緊耦合的相控陣優(yōu)良特性展開(kāi)深入研究，對(duì)展寬相控陣?yán)走_(dá)天線帶寬有著重要意義，同時(shí)對(duì)實(shí)現(xiàn)未來(lái)雷達(dá)多功能、多任務(wù)的戰(zhàn)場(chǎng)需求有著指導(dǎo)意義。

1 工作原理與設(shè)計(jì)

1.1 緊耦合天線原理

緊耦合天線原理最早可以追溯到Wheeler提出的理想電流片（current sheet array）模型。利用Wheeler的電流片模型理論可推導(dǎo)出無(wú)限周期互聯(lián)的短偶極子陣的帶寬接近理論值。但該理想模型無(wú)法再在實(shí)際環(huán)境中實(shí)現(xiàn)。陣列無(wú)限大可以通過(guò)將陣列做得足夠大解決，但是理想空間在現(xiàn)實(shí)中無(wú)法模擬。幾乎所有的陣列天線在應(yīng)用時(shí)都需要有一個(gè)背腔接地板，來(lái)屏蔽后端饋電網(wǎng)絡(luò)對(duì)陣列天線的影響并使波束只在上半?yún)^(qū)域掃描。地板的引入使得輻射阻抗在低頻點(diǎn)呈現(xiàn)強(qiáng)感性，這是由于此時(shí)天線陣列與地板呈現(xiàn)短路所致。而為了拓展帶寬這種感性效應(yīng)必須得到補(bǔ)償?；诖?，Munk通過(guò)引入單元間耦合電容以抵消地板引起的感性效應(yīng)。

1.2 超寬帶巴倫

巴倫（balun）即非平衡平衡轉(zhuǎn)換器。巴倫的作用體現(xiàn)在兩方面：一是完成非平衡信號(hào)到平衡信號(hào)的轉(zhuǎn)變；二是實(shí)現(xiàn)與饋電端口的阻抗匹配。最典型的Marchand巴倫由微帶耦合線組成，非平衡信號(hào)由前端四分一波長(zhǎng)微帶耦合線輸入，在兩段相同長(zhǎng)度的微帶耦合線作用下，平衡信號(hào)由后端平衡端口輸出。

本文旨在盡量不改變?cè)炀€結(jié)構(gòu)的同時(shí)加入巴倫結(jié)構(gòu)，從而進(jìn)一步展寬頻帶。原理圖如圖1所示。

巴倫結(jié)構(gòu)可以看作開(kāi)路支節(jié)和短路支節(jié)。在只考慮最優(yōu)的情況下，開(kāi)路支節(jié)的阻抗應(yīng)很?。ㄐ∮?0Ω）、短路支節(jié)阻抗應(yīng)盡量大（大于100Ω）、饋線阻抗也應(yīng)盡量大（大于100Ω）。理想情況下帶寬可以達(dá)到6倍頻至7倍頻[5]。但是需要的精度非常高，低成本的PCB技術(shù)無(wú)法滿足該精度。在毫米波頻段，用PCB技術(shù)來(lái)制造一個(gè)阻抗覆蓋區(qū)間大的巴倫結(jié)構(gòu)較困難。微帶線可以提供較大的阻抗，但是很難通過(guò)微帶線來(lái)實(shí)現(xiàn)小的阻抗；若使用帶狀線，那么在輸入口的線寬又非常小，單獨(dú)運(yùn)用微帶線或者帶狀線很難實(shí)現(xiàn)較寬的阻抗帶寬。本文為了實(shí)現(xiàn)較寬頻帶內(nèi)的阻抗匹配，將微帶線和帶狀線結(jié)合使用，這樣同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)100Ω到20Ω的阻抗變換，可以同時(shí)滿足開(kāi)路支節(jié)較小的阻抗（20Ω）及較大的饋線阻抗（100Ω）。結(jié)構(gòu)如圖2所示左側(cè)為微帶線，通過(guò)介質(zhì)板打孔，與下層右側(cè)帶狀線相連（帶狀線上下地未標(biāo)出）。

1.3 天線結(jié)構(gòu)

天線單元如圖3所示，由介質(zhì)板、偶極子、巴倫、用于引入單元間耦合電容的金屬片組成。天線由兩層PCB板組成，兩層PCB板子由半固化片連接。

2 仿真分析

仿真分析通過(guò)加入二維周期邊界條件來(lái)模擬陣列仿真，在加入由微帶線和帶狀線組成的巴倫之后，頻帶覆蓋6～18GHz。除低頻點(diǎn)駐波在2.1，其他頻帶均滿足駐波低于2。

3 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)未來(lái)雷達(dá)多功能多任務(wù)的需求，設(shè)計(jì)仿真了頻帶覆蓋6～18GHz的超寬帶陣列天線單元。仿真結(jié)果顯示：在頻帶內(nèi)駐波低于2.1，除低頻點(diǎn)較高外，其他頻帶可滿足駐波低于2的要求。

參考文獻(xiàn)

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