張聞濤，張曉輝

(中國(guó)空空導(dǎo)彈研究院，河南 洛陽(yáng) 471009)

0 引 言

近些年由于集成電路和半導(dǎo)體技術(shù)的迅猛進(jìn)步，相控陣技術(shù)得到了飛速的發(fā)展。相控陣天線以其波束指向靈活、指向切換速度較快且無(wú)慣性、易于賦形等特點(diǎn)在機(jī)載雷達(dá)、彈載雷達(dá)等諸多領(lǐng)域中被廣泛使用[1]。相控陣天線是相控陣?yán)走_(dá)的關(guān)鍵組成部分，其性能優(yōu)劣對(duì)雷達(dá)有著至關(guān)重要的影響。天線的主要性能指標(biāo)有增益、半功率波束寬度、副瓣等指標(biāo)，而人們對(duì)天線的交叉極化研究較少，天線的交叉極化定義為主極化與交叉極化平面的電場(chǎng)分量之比，由于天線極化的特殊性，任何天線都會(huì)有不同程度的交叉極化分量[2]。

微帶因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且重量較輕、易于共形等特點(diǎn)近些年也被廣泛應(yīng)用在了雷達(dá)天線上，很多學(xué)者對(duì)微帶天線的交叉極化開展了大量的研究[3]，但大多集中在固定波束的天線設(shè)計(jì)上，相控陣天線研究相對(duì)較少。在微帶天線中，角饋微帶天線抑制交叉極化研究方法較多，文獻(xiàn)[4]中研究了角饋方形貼片的電流分布，得出了在貼片末端增加一段延長(zhǎng)線可減小交叉極化的結(jié)論，文獻(xiàn)[5]中通過在角饋方形貼片微帶天線上開槽抑制交叉極化，交叉極化增益降低到了-42 dB，普通的輻射貼片與饋電網(wǎng)絡(luò)在一面上均會(huì)有較強(qiáng)的輻射，會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)的交叉極化，普通單面微帶偶極子單元的交叉極化一般為-20 dB，這將會(huì)嚴(yán)重影響測(cè)角誤差[6]。為了改善交叉極化特性，利用電場(chǎng)的相互抵消特性，文獻(xiàn)[7]提出了雙面輻射微帶偶極子的設(shè)計(jì)方法，交叉極化分量有了明顯的改善，約為-35 dB，但交叉極化分量的分布并不平坦，僅是在法向角度附近區(qū)域量級(jí)較低，隨著角度的增大，量級(jí)會(huì)惡化至-30 dB左右[8]，交叉極化對(duì)單脈沖雷達(dá)的測(cè)角有著較為嚴(yán)重的影響，交叉極化增大后會(huì)引起方位或俯仰的失調(diào)角增大，從而造成目標(biāo)的丟失[9]。此外交叉極化對(duì)抗干擾也有著不可忽視的影響，因此研究單脈沖雷達(dá)下的微帶相控陣的交叉極化特性對(duì)高性能雷達(dá)有著重要意義。

本文考慮了工程中裝夾夾具對(duì)天線的影響，提出了一種寬帶低交叉極化的相控陣單元，利用雙面印刷陣子電場(chǎng)反相抵消的特性和短路銷釘加載的方式，抑制饋電巴倫帶來的耦合效應(yīng)，使得單元的交叉極化電平在很寬的角度上降低到了-50 dB的量級(jí)，波束掃描中交叉極化并未明顯抬高惡化現(xiàn)象，滿足相控陣單元對(duì)交叉極化的要求。

1 原理分析

天線設(shè)計(jì)的極化或期望的極化稱為主極化，而與之正交的極化則稱為交叉極化，實(shí)際上不同形式的天線產(chǎn)生交叉極化的方式不同，交叉極化的量級(jí)也相差較大，為了描述天線的極化純度，業(yè)界提出了交叉極化鑒別率(XPD)，其定義為：

(1)

式中:Em為天線的主極化；Ec為天線的交叉極化。

Vivaldi天線屬于行波天線，其電場(chǎng)是在不斷流動(dòng)的，目前還難以給出電場(chǎng)和磁場(chǎng)的準(zhǔn)確計(jì)算公式。不失一般性，利用微帶偶極子的特性推導(dǎo)出了交叉極化的公式[10]，假設(shè)垂直極化為主極化：

(2)

式中：EV、EH表示電場(chǎng)的垂直極化分量和水平極化分量;θ、φ表示空間的俯仰角和方位角。

由式(2)可以看出，線極化的交叉極化鑒別率是一個(gè)關(guān)于空間剖面、掃描角的函數(shù)，極化比隨著掃描角改變而改變。對(duì)于相控陣天線來說，交叉極化隨著掃描角度的增大而增大，這就給大掃描角下的雷達(dá)性能較大的影響，因此需要研究波束掃描下的交叉極化的變化情況。

2 單元設(shè)計(jì)

Vivaldi天線是一種超寬帶天線，能夠在很寬的頻帶內(nèi)保持良好的匹配特性，在寬帶相控陣中得到了廣泛的使用。常見的Vivaldi天線有單面、雙面及對(duì)踵等形式，每種天線都有各自的特點(diǎn)?？紤]到工程應(yīng)用，本文選取形式為帶狀線巴倫饋電的雙面微帶偶極子的形式，天線由雙面微帶偶極子、帶狀線饋電巴倫、金屬夾具底座、短路銷釘(金屬化過孔)、微帶線與同軸連接器等組成，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 微帶饋電的雙面Vivaldi天線模型圖

天線的表面波是Vivaldi天線產(chǎn)生交叉極化較高的主要原因。很據(jù)天線的電場(chǎng)分布，雙面偶極子相對(duì)于單面偶極子具有更寬的寬帶特性和較低的交叉極化特性，單面偶極子的電場(chǎng)分布與雙面偶極子電場(chǎng)分布對(duì)比圖如圖2所示。

圖2 單雙面偶極子電場(chǎng)分布圖

從電場(chǎng)分布可以看出，采用雙層介質(zhì)板后，介質(zhì)板中的橫向交叉極化分量相互抵消，交叉極化分量相對(duì)于單面會(huì)有明顯的改善，電平一般為-20～30 dB量級(jí)：相對(duì)于單面天線，雙面Vivaldi天線在一定程度上利用雙面電場(chǎng)的互相抵消特性顯著改善了天線的交叉極化特性，饋電巴倫的輻射也得到了抑制，但是絕對(duì)量級(jí)依然不夠，且只是在法向附近一個(gè)較小的角度內(nèi)實(shí)現(xiàn)較低的交叉極化電平，其余角度依然較高，不滿足相控陣單元對(duì)交叉極化的要求。

Vivaldi天線是行波天線，由行波天線原理可知，電磁波在槽線中邊流動(dòng)邊輻射，從而能夠?qū)崿F(xiàn)寬帶工作，但在實(shí)際中發(fā)現(xiàn)，Vivaldi天線中不僅有行波能量還有駐波能量。駐波能量的主要來源是天線在低頻工作中，由于天線的尺寸或?qū)挾炔荒軡M足低頻天線的輻射要求，使得低頻能量不能夠完全而有效地輻射。一部分能量會(huì)通過端口反射回來；一部分能量會(huì)以表面波形式再次輻射。由于掃描角的需要，相控陣天線尺寸受到了間距的很大限制，一般約為二分之一個(gè)波長(zhǎng)，這也就使得天線寬度必須壓縮在一個(gè)較小的尺寸內(nèi)。為了減小天線的尺寸，微帶天線通常選用介電常數(shù)較高、損耗較小的基板。即便如此，也難以滿足低頻駐波對(duì)天線基板尺寸的要求，只能優(yōu)化巴倫與天線輸入阻抗，從而滿足匹配的要求，但這是以犧牲天線的交叉極化電平和增益來?yè)Q取有源駐波的匹配。

表面波不僅是產(chǎn)生交叉極化的原因，饋電網(wǎng)絡(luò)對(duì)交叉極化的貢獻(xiàn)亦不可忽略。對(duì)天線及饋電巴倫進(jìn)行了仿真，電場(chǎng)對(duì)比如圖3所示。

圖3 天線電場(chǎng)分布圖(饋電為抑制)

從雙面Vivaldi電場(chǎng)分布圖上可明顯看出，該類型的天線饋電巴倫多為帶狀線，且在槽線的起始處為開路狀態(tài)，電磁波在流經(jīng)巴倫時(shí)，由于介質(zhì)板內(nèi)能量有較大的耦合效應(yīng)，使得巴倫的能量一部分順著巴倫流向了天線，一部分耦合至微帶基板的邊緣，饋線路徑上的耦合及開路處的耦合共同使得天線邊緣處的非輻射能量增加，嚴(yán)重惡化了交叉極化?；诖耍瑸榱艘种起侂姲蛡惖鸟詈闲?yīng)，可以采取多種措施。本文采用較為簡(jiǎn)單、也易于加工的金屬化過孔對(duì)耦合效應(yīng)進(jìn)行抑制，在饋電線的兩邊及饋電與天線單元間增加一排金屬化過孔，橫向上束縛饋電巴倫的能量，縱向上將輻射區(qū)域與饋電區(qū)域進(jìn)行隔離，通過優(yōu)化金屬化過孔的位置和排列重新對(duì)電場(chǎng)分布進(jìn)行分析和仿真，如圖4所示。

圖4 天線電場(chǎng)分布圖(饋電抑制)

增加金屬化過孔抑制饋電耦合效應(yīng)后，天線輻射的電場(chǎng)與饋電巴倫對(duì)基板的耦合二者相互耦合顯著減小，饋電能量得到了有效的束縛，優(yōu)化后交叉極化在整個(gè)方位角度內(nèi)低于-40 dB，法向附近優(yōu)于-50 dB，較未增加隔離措施的情況增加了約為-20 dB。饋電抑制后天線單元方向圖如圖5所示。

圖5 饋電抑制后天線單元方向圖

3 陣列掃描

相控陣天線由于間距減小，單元之間的互耦影響不可忽略，為了評(píng)估互耦對(duì)交叉極化特性的影響，也同時(shí)檢驗(yàn)陣中單元方向圖是否有盲點(diǎn)，需要在互耦環(huán)境下對(duì)單元進(jìn)行評(píng)估，這里建立了一個(gè)7×7的陣列，中心單元在2個(gè)主平面上各考慮了2圈單元的互耦，互耦量級(jí)約為-23 dB，呈單調(diào)下降趨勢(shì)，陣中單元?dú)w一化方向圖如圖6所示，單元增益約為7 dB，全角度內(nèi)交叉極化曲線較為平坦，最大交叉極化量級(jí)約為-45 dB，與孤立單元基本相當(dāng)，完全滿足低交叉極化相控陣天線單元的要求。

圖6 陣中單元有源方向圖

由公式(2)可知，交叉極化會(huì)隨著掃描方向圖波位的增加而增加，尤其是在大角度時(shí)，交叉極化會(huì)有明顯的惡化，主要是由于較強(qiáng)互耦引起的反射所致。為了驗(yàn)證掃描后方向圖的交叉極化抑制情況，按照天線實(shí)際長(zhǎng)度沿著天線的E面和H面分別組建了十二單元的線陣，波束掃描范圍為±45°，掃描角間隔15°，給出了掃描至45°的陣列2個(gè)主平面的方向圖，如圖7、圖8所示。

圖7 單元線陣掃描方向圖(H面)

圖8 單元線陣掃描方向圖(E面)

從仿真結(jié)果可看出，E面、H面掃描至45°波位，E面交叉極化略高，約為-48 dB，H面為-52 dB，在整個(gè)掃描過程中，天線主波束掃描正常，電平一直保持在-45 dB以下，交叉極化無(wú)明顯惡化和抬高現(xiàn)象，滿足相控陣天線低交叉極化的要求。

4 結(jié) 論

本文主要對(duì)影響微帶天線的交叉極化的主要因素進(jìn)行了分析，設(shè)計(jì)了一種同軸轉(zhuǎn)帶狀線巴倫饋電的雙面Vivaldi天線，利用雙面印刷陣子電場(chǎng)反相抵消的特性和采用短路銷釘加載的方式，抑制了饋電巴倫帶來的耦合效應(yīng)，使得單元的交叉極化電平在很寬的角度上降低到了-50 dB的量級(jí)。對(duì)單元進(jìn)行組陣，陣中有源方向圖正常無(wú)畸變，交叉極化較為平坦，約為-45 dB，同時(shí)沿著E面、H面組陣進(jìn)行波束掃描，波束掃描正常，掃描過程中交叉極化電平最大一直保持在-45 dB以下，無(wú)明顯惡化和抬高現(xiàn)象，設(shè)計(jì)的Vivaldi相控陣天線具有寬帶、低交叉極化的特性，滿足相控陣天線組陣的要求。該方法簡(jiǎn)單、有效，為低交叉極化的相控陣單元設(shè)計(jì)提供了一條有效的技術(shù)途徑。