胡志慧 姜永華 凌 祥，2

（1.海軍航空工程學(xué)院電子信息工程系，山東 煙臺(tái)264001；2.海軍裝備研究院，上海200436）

引 言

超寬帶雷達(dá)具有帶寬寬、成像分辨率高、近距離盲區(qū)小、截獲概率低、反隱身性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，已在制導(dǎo)、預(yù)警、電子對(duì)抗等平臺(tái)中獲得了應(yīng)用.傳統(tǒng)超寬帶天線如螺旋天線、蝴蝶結(jié)天線、單極子天線等［1-2］安裝于這些平臺(tái)時(shí)，受背面接地板（Ground Plane，GP）的影響，其阻抗帶寬會(huì)變窄或者出現(xiàn)多個(gè)頻帶；Vivaldi天線、兔耳形天線等由于不是平面天線，其縱向尺寸一般為波長(zhǎng)的數(shù)倍到數(shù)十倍［3-4］，天線體積比較大，在尺寸要求嚴(yán)格的情況下難以滿足要求.此外，當(dāng)采用這些天線單元組成傳統(tǒng)超寬帶天線陣列時(shí)，受單元間互耦的影響其阻抗帶寬及輻射特性都會(huì)惡化.

近年來(lái)，緊耦合天線陣列（Tightly Coupled Array，TCA）已在超寬帶小型化天線中得到了應(yīng)用［5-6］.與傳統(tǒng)超寬帶天線陣列不同，這種陣列通過(guò)緊密地排列天線單元來(lái)增加單元間的耦合，在背面加GP時(shí)，仍能實(shí)現(xiàn)超寬帶與小型化.Munk在文獻(xiàn)［7］中最早采用交指型偶極子天線單元設(shè)計(jì)了TCA，實(shí)現(xiàn)了4.5∶1的阻抗帶寬，并在文獻(xiàn)［8］采用該陣列設(shè)計(jì)了超寬帶相控陣天線，通過(guò)多層介質(zhì)加載實(shí)現(xiàn)了9∶1的阻抗帶寬.Volakis等人［9-12］對(duì)TCA做了進(jìn)一步深入研究，利用相互交錯(cuò)的矩形螺旋天線單元設(shè)計(jì)了TCA，并提出了其等效電路模型，在無(wú)介質(zhì)加載時(shí)可實(shí)現(xiàn)10∶1的阻抗帶寬.Moulder等人在文獻(xiàn)［13］中提出了利用電阻型頻率選擇表面（Resistive Frequency Selective Surface，RFSS）提高TCA阻抗帶寬的方法，通過(guò)加載方環(huán)形實(shí)現(xiàn)了14.2∶1的阻抗帶寬，但并未對(duì)天線陣列掃描時(shí)的駐波系數(shù)及方向圖進(jìn)行分析.國(guó)內(nèi)有關(guān)TCA的研究較少，電子科技大學(xué)楊仕文教授［14］采用八邊形環(huán)狀天線單元設(shè)計(jì)了TCA，可實(shí)現(xiàn)4.4∶1的阻抗帶寬.

盡管TCA可以實(shí)現(xiàn)超寬帶與小型化，但是由于背面GP的影響，當(dāng)TCA與GP之間距離為半波長(zhǎng)時(shí)，TCA會(huì)出現(xiàn)短路點(diǎn)，嚴(yán)重影響了其阻抗帶寬.針對(duì)這一問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種基于RFSS的超寬帶TCA，詳細(xì)分析了RFSS對(duì)天線阻抗帶寬及輻射特性的影響，并對(duì)TCA的掃描特性進(jìn)行了分析.該天線陣列通過(guò)在TCA與GP之間加載開(kāi)口諧振環(huán)結(jié)構(gòu)的RFSS，抑制了TCA的短路點(diǎn)，顯著增加了其阻抗帶寬.該TCA不僅具有超寬帶特性，而且體積小、易于共形安裝，在超寬帶小型化有源相控陣天線［15-16］中有良好應(yīng)用前景.

1 TCA的原理

TCA是基于電流面［17］理論設(shè)計(jì)的，其概念可以用緊耦合偶極子天線陣列來(lái)描述，其結(jié)構(gòu)示意圖及等效電路如圖1（a）所示.天線陣列周期為d，距GP高度為h，與傳統(tǒng)天線陣列不同，TCA天線單元間距很小，因此在末端會(huì)產(chǎn)生很強(qiáng)的耦合電容C.假設(shè)偶極子天線單元的等效電感為L(zhǎng)，長(zhǎng)度為h的短路傳輸線特性阻抗ZGP＝j(luò)η0tan（2πh／λ），則天線單元的輸入阻抗Zin＝j(luò)ωL＋1／（jωC）＋η0∥ZGP，其中η0＝120πΩ為自由空間波阻抗.由于在低頻段（h＜λ／4），相鄰天線單元間的強(qiáng)耦合電容C可補(bǔ)償由GP產(chǎn)生的感性電抗ZGP，因此可以保持其輸入阻抗相位在很寬的頻帶內(nèi)變化較小，最終實(shí)現(xiàn)超寬帶及小型化.如圖1（b）所示，在無(wú)任何加載時(shí)可實(shí)現(xiàn)4.5︰1（2.1～9.5GHz）的阻抗帶寬.

圖1 緊耦合偶極子天線陣列

2 開(kāi)口諧振環(huán)結(jié)構(gòu)的RFSS設(shè)計(jì)

開(kāi)口謝振環(huán)結(jié)構(gòu)的RFSS單元如圖2所示，由電阻膜、介質(zhì)基片及GP構(gòu)成.圖2中，開(kāi)口諧振環(huán)為電阻膜，方阻為RS，外環(huán)長(zhǎng)度S1＝9.8mm，內(nèi)環(huán)長(zhǎng)度S2＝7.4mm，寬度均為S3＝0.6mm，開(kāi)口寬度S4＝0.6mm，離GP距離h1＝5.5mm，采用Rogers RO4003作為其介質(zhì)基片，介電常數(shù)εr1＝3.38，基片厚度t1＝0.508mm.利用電磁仿真軟件CST2011對(duì)其進(jìn)行了仿真計(jì)算，其中周期d＝10.1 mm，Rs＝33Ω，仿真結(jié)果如圖3所示.從圖3可以看出，當(dāng)入射角小于30°時(shí)，其反射系數(shù)在5～19 GHz之間均小于0.5.由此表明該開(kāi)口諧振環(huán)結(jié)構(gòu)的RFSS可以在很寬的頻帶內(nèi)有效減小背面接地板的反射，可以用在超寬帶天線設(shè)計(jì)中，以減小GP對(duì)阻抗帶寬的影響［18］.

圖2 開(kāi)口諧振環(huán)結(jié)構(gòu)的RFSS

圖3 反射系數(shù)

3 基于RFSS的TCA設(shè)計(jì)與分析

由公式ZGP＝j(luò)η0tan（2πh／λ）知，當(dāng)TCA與接地板之間的距離h＝λ／2時(shí)，ZGP＝0，TCA在fmax＝c／2h處短路，從而限制了TCA的阻抗帶寬.由于RFSS可以減小接地板的反射，可以將RFSS放置于TCA與GP之間，避免其短路點(diǎn)，增加其阻抗帶寬.

3.1 基于RFSS的TCA設(shè)計(jì)

TCA天線單元如圖4（a）所示，其周期為d，由蝴蝶結(jié)天線單元、開(kāi)環(huán)諧振環(huán)結(jié)構(gòu)的RFSS、寬角匹配層及GP四部分構(gòu)成.蝴蝶結(jié)天線單元長(zhǎng)度及寬度均為la，饋電間距為ga，天線單元離GP高度為h，印制于RO4003介質(zhì)基片上，介電常數(shù)εr＝3.38，基片厚度t＝0.254mm.十字型寬角匹配層長(zhǎng)度為lf，寬度為wf，間距為gf，采用RO5880作為其介質(zhì)基片，介電常數(shù)εr2＝2.2，基片厚度t2＝4 mm.開(kāi)環(huán)諧振結(jié)構(gòu)的RFSS放置于天線與GP之間，離GP距離為h1.天線單元等效電路如圖4（b）所示，開(kāi)口諧振環(huán)結(jié)構(gòu)的RFSS可等效為電阻R及電抗Xr，寬角匹配層等效為電抗Xf，蝴蝶結(jié)天線單元等效為電感L，相鄰單元耦合電容為C，天線下側(cè)阻抗ZGP＝η0（1＋Γ）／（1-Γ），其中，Γ為RFSS的反射系數(shù)，因此輸入阻抗Zin＝j(luò) wL＋1／（j wC）＋ZGP∥η0∥j Xf.

圖4 基于RFSS的TCA天線單元

3.2 影響天線性能的各參數(shù)分析

TCA是由大量排列緊密的天線單元構(gòu)成的陣列，因此可以假設(shè)其處于無(wú)限大周期結(jié)構(gòu)中，采用電磁仿真軟件CST Microwave Studio 2011的頻域求解器，通過(guò)設(shè)置周期邊界條件對(duì)上述天線模型進(jìn)行了仿真分析，天線單元由離散端口饋電.基于RFSS的TCA涉及參數(shù)較多，由等效電路4（b）知，當(dāng)天線單元結(jié)構(gòu)及其與GP之間的距離h一定時(shí)，對(duì)阻抗帶寬影響較大的參數(shù)主要包括電阻膜方阻為Rs及天線單元間間距de（de＝d-la），各參數(shù)變化時(shí)TCA的駐波系數(shù)如圖5所示.由圖5（a）可知：當(dāng)參數(shù)Rs值較大時(shí)，天線駐波系數(shù)在中間頻段較大，其阻抗帶寬被分為兩個(gè)頻帶；當(dāng)參數(shù)Rs值較小時(shí)，天線駐波系數(shù)在低頻段及高頻段都較大.由此可知，電阻膜方阻Rs對(duì)天線阻抗帶寬有很大影響，因此天線要獲得寬帶特性，必須對(duì)其進(jìn)行合理選擇.由圖5（b）可知，隨著參數(shù)de值增加，天線駐波系數(shù)增大，阻抗帶寬變窄.這是由于當(dāng)de增加時(shí)，相鄰天線單元末端的耦合電容變小，從而不能補(bǔ)償由接地板產(chǎn)生的感性電抗ZGP.

圖5 參數(shù)變化時(shí)天線駐波系數(shù)

為使天線的性能達(dá)到最佳，在上述仿真分析的基礎(chǔ)上，對(duì)影響天線阻抗帶寬的各參數(shù)進(jìn)行綜合優(yōu)化后，得到了天線單元的參數(shù)值，其中Rs＝50Ω，其它參數(shù)值如表1所示.

表1 天線單元尺寸 單位：mm

4 仿真結(jié)果分析

4.1 TCA未掃描時(shí)特性分析

基于上述單元的10×10天線陣列模型如圖6所示，其整體尺寸為101mm×101mm×14mm.

圖6 10×10天線陣列模型

為分析RFSS對(duì)阻抗帶寬的影響，分別針對(duì)TCA在加載開(kāi)口諧振環(huán)結(jié)構(gòu)的RFSS、無(wú)任何加載以及文獻(xiàn)［19］提出的加載磁介質(zhì)三種不同情況下的駐波系數(shù)進(jìn)行了比較.由圖7可知：當(dāng)TCA與GP之間無(wú)任何加載時(shí)，天線陣列在10.7GHz處短路，與fmax＝c／2h相對(duì)應(yīng)，在該頻點(diǎn)其駐波系數(shù)遠(yuǎn)大于2，天線阻抗帶寬分為兩個(gè)頻帶.當(dāng)TCA及GP之間加載磁介質(zhì)時(shí)，在10.7GHz處的短路點(diǎn)得到抑制，其阻抗帶寬得到一定提高，可達(dá)7.7︰1（1.8～13.8 GHz），但在高頻段其駐波系數(shù)仍較大，阻抗帶寬仍受到一定限制.當(dāng)TCA及GP之間加載開(kāi)口諧振環(huán)結(jié)構(gòu)的RFSS后，與文獻(xiàn)［19］中加載磁介質(zhì)方法相比，其阻抗帶寬得到顯著提高，可達(dá)12.8︰1（1.5～19.2GHz），這是由于RFSS可以減小接地板反射，并且由圖4（b）等效電路知，加載RFSS后，由于電阻R的影響，其輸入阻抗的相位變化更加平緩，因此，加載RFSS后，可以抑制天線短路點(diǎn)，進(jìn)一步增加TCA阻抗帶寬.

圖7 加載及未加載RFSS的仿真結(jié)果

10×10天線陣列的增益如圖8所示.由圖可知：在未加載RFSS時(shí)，天線陣列在10.7GHz處增益急劇下降，為-28dB；在加載開(kāi)口諧振環(huán)結(jié)構(gòu)的RFSS后，在該頻點(diǎn)附近天線陣列增益明顯增加，為20dB.隨著頻率增加，天線增益逐漸增大，其最大增益為23.5dB.此外，由于RFSS加入了損耗，在其它頻段上天線陣列增益降低0.5～2.8dB.

圖8 加載及未加載RFSS的仿真結(jié)果

圖9 未加載時(shí)天線陣列方向圖

圖10 加載RFSS時(shí)天線陣列方向圖

天線陣列在無(wú)任何加載及加載RFSS時(shí)的歸一化E面及H面方向圖分別如圖9、10所示.當(dāng)天線陣列工作在10.7GHz時(shí)，由圖9（b）可知，無(wú)任何加載時(shí)，由于天線陣列在該頻點(diǎn)短路，加在天線單元上的發(fā)射信號(hào)幾乎全被反射回來(lái)，使得天線方向圖在主瓣方向上出現(xiàn)很深凹口；由圖10（b）可知，加載RFSS后，天線陣列方向圖得到明顯改善，其主瓣方向上增益明顯增加，E面及H面的主瓣寬度均為14.2°，副瓣電平均低于-13dB.當(dāng)天線陣列工作在1.5GHz時(shí)，由圖9（a）及10（a）可知，RFSS對(duì)陣列輻射性能影響較小，其E面主瓣寬度在加載與未加載RFSS時(shí)均為60°，H面主瓣寬度均為65°.當(dāng)天線陣列工作在19.2GHz時(shí)，由圖9（c）及10（c）可知，加載RFSS與未加載RFSS其E面及H面方向圖變化比較小，其E面及H面主瓣寬度均為8°，副瓣電平均低于-12dB.由此表明，加載RFSS后，天線陣列在整個(gè)阻抗帶寬內(nèi)其輻射方向圖均比較穩(wěn)定.

4.2 TCA掃描時(shí)特性分析

當(dāng)TCA進(jìn)行相位掃描時(shí)，其駐波系數(shù)會(huì)隨著掃描角的變化而起伏，如圖11（a）所示.當(dāng)天線掃描角為0°時(shí)，天線阻抗帶寬為1.5～19.2GHz；隨著掃描角增大，天線陣列駐波系數(shù)在高頻段增大，阻抗帶寬明顯變窄，當(dāng)天線掃描角為30°時(shí)，阻抗帶寬為1.8～16GHz，因此，在±30°掃描范圍內(nèi)，TCA可滿足8.9∶1的阻抗帶寬.天線陣列增益隨掃描角變化如圖11（b）所示，隨著掃描角增大，在1.8～16GHz范圍內(nèi)，天線增益降低0.2～1.5dB.

圖11 TCA掃描時(shí)駐波及增益

10×10天線陣列在掃描角為0°、±10°、±20°、±30°時(shí)，其E面及H面主極化與交叉極化方向圖如圖12及13所示，分別對(duì)應(yīng)工作頻率為10.7GHz及16GHz.由圖可知：在10.7GHz時(shí)，隨著掃描角增大，主瓣寬度由14.2°增大到16.6°，E面副瓣電平低于-13dB，交叉極化電平低于-48dB；H面副瓣電平低于-10.8dB，交叉極化電平低于-42dB.在16GHz時(shí)，隨著掃描角增大，主瓣寬度由9.1°增大到10.8°，E面副瓣電平低于-10.4dB，交叉極化電平低于-46dB；H面副瓣電平低于-10.2dB，交叉極化電平低于-47dB.由此表明，加載RFSS后，在±30°掃描范圍內(nèi)，天線陣列的副瓣電平低于-10.2dB，交叉極化電平低于-42dB.

圖12 掃描時(shí)E面掃描方向圖

圖13 掃描時(shí)H面掃描方向圖

5 結(jié) 論

設(shè)計(jì)了一種基于RFSS的小型化超寬帶TCA，詳細(xì)分析了RFSS對(duì)阻抗帶寬及輻射特性的影響，并對(duì)TCA的掃描特性進(jìn)行了分析，該陣列采用相互具有很強(qiáng)耦合的蝴蝶結(jié)天線作為其輻射單元，通過(guò)在TCA與GP之間加載開(kāi)口諧振環(huán)結(jié)構(gòu)的RFSS，抑制了TCA短路點(diǎn)，顯著增加了其阻抗帶寬.仿真結(jié)果表明，在未加載RFSS時(shí)TCA在10.7GHz處短路，天線阻抗帶寬分為兩個(gè)頻帶；在加載RFSS后，TCA阻抗帶寬可達(dá)12.8︰1（1.5～19.2GHz），在±30°掃描范圍內(nèi)可實(shí)現(xiàn)8.9︰1（1.8～16GHz）阻抗帶寬，在整個(gè)頻帶內(nèi)，TCA輻射方向圖都比較穩(wěn)定，其副瓣電平均低于為-10.2dB，交叉極化電平低于為-42dB；由于RFSS加入了損耗，天線陣列增益降低0.5～2.8dB.該TCA不僅具有超寬帶特性，而且體積小、易于共形安裝，在超寬帶小型化有源相控陣天線中有良好應(yīng)用前景.

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