新型超宽带双极化天线设计

    王亚伟 高向军 朱莉

    

    

    

    摘 要：本文设计了一种在3.2～18 GHz频率范围工作的超宽带双极化天线。 天线单元为双开槽Vivaldi天线， 基于共形波纹边缘的设计思想， 利用指数形槽缝波纹边缘使双开槽Vivaldi天线在与同尺寸传统Vivaldi天线相近的带宽内获得了高增益等良好的辐射特性。 通过将两个双开槽Vivaldi天线正交放置， 实现了超宽带双极化天线的设计， 测试结果表明， 工作频带内的极化隔离度高于25 dB， 增益高于7 dB， 辐射特性良好。 与利用两传统Vivaldi天线实现双极化相比， 避免了天线辐射结构的交叉， 降低了设计的复杂度。

    关键词： 双极化天线; 双开槽Vivaldi天线; 共形波纹边缘; 超宽带天线; 高增益

    中图分类号：TJ761.1+3; TN82文献标识码：A文章编号： 1673-5048（2018）05-0054-04[SQ0]

    0 引言

    双极化天线是现代雷达提高电子对抗能力使用的重要天线类型之一， 双极化天线的使用将很大程度上增强雷达对电磁波极化信息的获取， 而极化信息的利用可以有效提高雷达的抗干扰、 目标检测和识别能力[1]。 双极化和超宽带相结合， 意味着通信的高数据率、 高抗多径衰减能力， 雷达的高分辨力、 低截获概率、 高抗干扰能力， 以及定位系统的高精度。 双极化天线包括单一天线双模工作实现双极化[2]和两个单极化天线通过空间组合实现双极化[3-5]两种实现方式。 对于双极化天线来说， 不同极化模式必须有相同的相位中心， 因为相位中心的偏移会导致较大的、 难以补偿的系统误差， 在利用两个单极化天线构成双极化辐射时需要特别强调。 双极化天线要求两种极化方式都有优良的工作性能， 同时相互之间保持较高的隔离度。 一般利用单一天线的正交模式或两个单极化天线正交放置都可实现不同极化方式间的高隔离度。 文献[2]中圆形缝隙正交模式间的隔离度大于35 dB。 文献[3]利用两个正交放置的Vivaldi天线实现了两种极化方式间大于20 dB的隔离， 该实现方式中， 两个Vivaldi天线的微带线/槽线转换结构存在重合， 并且需要破坏其中一个Vivaldi天线的圆形缝隙背腔， 结构较为复杂。

    本文基于高增益双开槽Vivaldi天线（Double-Slot Vivaldi Antenna， DSVA）和共形波纹边缘（Conformal Corrugated Edge， CCE）设计了一超宽带高增益DSVA。 将两个超宽带高增益DSVA正交放置， 设计了一种超宽带双极化天线， 与采用传统Vivaldi天线（Conventional Vivaldi Antenna， CVA）正交放置实现超宽带双极化[3]相比， 本文设计的双极化天线拥有更好的辐射特性。 此外， 在结构上避免了渐变槽线的重合， 降低了工程实现的复杂性。

    天线设计过程中利用HFSS仿真软件对天线性能进行计算， 加工所用介质板为聚四氟乙烯玻璃布板， 介电常数为2.65， 厚度为1 mm， 损耗角正切为0.001。

    1 天线结构设计

    DSVA的结构[6]如图1（a）所示， 该结构的实现步骤为首先在保持尺寸不变的前提下将CVA转换为E面二元阵结构; 其次减小二元阵中单元间相邻辐射臂的长度。 利用图1（a）中的结构参数建立DSVA的曲线方程如下：

    对于CVA， 由于边缘电流的影响， 低频端的阻抗特性和辐射特性难以满足设计要求。 常用的改善手段为在天线边缘处采用波纹边缘。文献[7]提出了一种新的Vivaldi天线波纹边缘设计思想——共形波纹边缘， 基于此， 本文利用式（3）～（4）为DSVA设计了相应的指数形槽线波纹边缘， 如图1（b）所示。

    对图1中的天线进行优化计算， 确定天线的结构参数： 天线口径宽度W为80 mm; 双槽之间的距离Ws为40 mm; 槽线总长L为120 mm;中心辐射臂长度Ls为60 mm; 槽线起始宽度g为0.5 mm; 圆形槽线开路腔半径Rc为4 mm; 天线槽线起始点至天线后端边缘的距离Lb为25 mm; 指数形槽缝宽度wce为2.5 mm， 纵向长度tce为7.5 mm， 排列周期为2wce。

    2 天线性能分析

    2.1 双开槽Vivaldi天线工作特性

    文献[6]对DSVA和CVA的性能进行了对比分析。 与同尺寸的CVA相比， DSVA拥有相近的端口匹配特性， 更好的高频辐射特性， 主要体现在增益的提高和波束分裂现象的减少。 图3给出了有无波纹边缘的两个DSVA及一个同尺寸CVA的端口反射系数、 辐射增益的对比结果。

    可以看出， CCE改善了DSVA的端口匹配并实现了和同尺寸CVA近似的工作带宽， 此外， CCE大大改善了DSVA的低频辐射增益， 结合DSVA良好的高频辐射特性， 拥有CCE的DSVA获得了与同尺寸CVA相比全频段范围（3.2～18 GHz）内的增益提升。

    2.2 超宽带双极化天线隔离特性

    利用两个DSVA， 按照图2所示结构组合成为一个超宽带双极化天线。 在仿真软件中对天线的端口特性进行计算， 图4给出了超宽带双极化天线中两个正交单元的端口反射系数及两种极化模式间的隔离度。 可以看出， 两天线单元的端口反射系数在3.2～18 GHz的频率范围内都小于-10 dB， 表明了两种极化模式天线良好的端口特性。 此外， 两种极化模式间的隔离度在3.2～18 GHz的频率范围内大于30 dB， 体现出了两种极化模式的良好隔离。 这一结果说明设计的超宽带双极化天线拥有超宽带和高隔离度的端口工作特性。

    3 超宽带双极化天线加工与测试

    在上述分析的基础上， 对设计的超宽带双极化天线进行加工和测试， 天线实物如图5所示。 利用矢量網络分析仪对双极化天线两种极化模式端口的反射系数及其隔离系数进行了测试， 结果如图6所示， 可以看出， 超宽带双极化天线的两种极化模式在3.2～18 GHz的频率范围内端口增益都大于7 dB， 该结果与图3（b）中的计算结果一致。 此外， 测试所得两种极化模式间的隔离度在3.2～18 GHz的频率范围内大于25 dB。

    图7～8给出了超宽带双极化天线两种极化模式分别在3.2 GHz， 9 GHz， 18 GHz处的E面和H面方向图测试结果， 可以看出两种极化模式方向图间较好的一致性， 体现出超宽带双极化天线良好的辐射特性。 图7给出了两种极化辐射的辐射增益， 可以看出， 在3.2～18 GHz的频率范围内辐射增益大于7 dB， 最大达到约13 dB。

    4 结论

    本文设计了一款性能良好的超宽带双极化天线。 所用天线单元为双开槽Vivaldi天线， 双开槽

    Vivaldi天线与同尺寸的传统Vivaldi天线相比， 在相近的工作频带内能够实现高频辐射增益的提高。结合共形波纹边缘结構， 双开槽Vivaldi天线的低频增益也得到了提高。 通过将两个双开槽Vivaldi天线正交放置， 设计了一种超宽带双极化天线， 在3.2～18 GHz频率范围内极化隔离超过25 dB， 增益超过7 dB， 方向图特性良好。 与利用传统Vivaldi天线正交放置实现双极化相比， 避免了渐变槽线的交叉， 降低了设计的复杂度。

    参考文献：

    [1] Wanielik G，Stock D J R. Radar Polarization Jamming Using the Super Position of Two Fully Polarized Waves[C]∥International Conference “Radar 87”， London， UK， 1987： 330-332.

    [2] Jiang Xiaolei，Zhang Zhijun， Li Yue， et al. A Wideband Dual Polarized Slot Antenna[J]. IEEE Antennas & Wireless Propagation Letters， 2013， 12（11）：1010-1013.

    [3]Adamiuk G，Zwick T，Wiesbeck W. Compact， Dual Polarized UWB Antenna， Embedded in a Dielectric [J]. IEEE Transactions Antennas & Propagation， 2010， 58（2）： 279-286.

    [4] Sun Y X， Leung K W. Dual Band and Wideband Dual Polarized Cylindrical Dielectric Resonator Antennas [J]. IEEE Antennas & Wireless Propagation Letters， 2013， 12（1921）： 384-387.

    [5] Liu Ying，Yi Hao， Wang Fuwei， et al. A Novel Miniaturized Broadband Dual Polarized Dipole Antenna for Base Station [J]. IEEE Antennas & Wireless Propagation Letters， 2013， 12（4）： 1335-1338.

    [6] Wang Yawei， Wang Guangming，Zong Binfeng. Directivity Improvement of Vivaldi Antenna Using Double Slot Structure [J]. IEEE Antennas & Wireless Propagation Letters， 2013， 12（3）： 1380-1383.

    [7] Wang Y W，Gao X J，Liang J G， et al. Conformal Corrugated Edges for Vivaldi Antenna to Obtain Improved Low Frequency Characteristics[J]. Progress in Electromagnetics Research C， 2015， 60： 75-81.

    Design of a Novel Ultra Wideband Dual Polarization Antenna

    Wang Yawei， Gao Xiangjun， Zhu Li

    （School of Air and Missile Defense， Air Force Engineering University， Xian 710051， China）

    Abstract： A novel ultra wideband dual polarization antenna with the operating frequency range of 3.2～18 GHz is designed. The element is the double slot Vivaldi antenna.Based on the concept of conformal corrugated edge， the double slot Vivaldi antenna with corrugated edges is designed. Compared with the typical Vivaldi antenna with the same size， the designed double slot Vivaldi antenna has similar operating band but improves gain. A dual polarization antenna can be realized by putting two double slot Vivaldi antennas vertically cross each other. In the operating band， the dual polarization antenna has its polarization isolation more than 25 dB and its gain more than 7 dB. Compared with a dual polarization antenna constructed by two conventional Vivaldi antennas using the same method， intersection between the tapered slots is avoided in the proposed dual polarization antenna， which will significantly simplify the design procedure.

    Key words：dual polarization antenna; double slot Vivaldi antenna; conformal corrugated edge; ultra wideband antenna; high gain