x波段vivaldi天線陣列互耦問(wèn)題研究

x波段vivaldi天線陣列互耦問(wèn)題研究

相控制矩陣天線廣泛應(yīng)用于各種雷達(dá)、測(cè)量、通信、遙感等設(shè)備。它一直是國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。1979年，vivadi天線是gibson根據(jù)指數(shù)規(guī)律逐漸改進(jìn)的非晶態(tài)天線。這種輻射模式是端射。這是一種極化、高增益波天線。其工作頻率范圍大，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于加工，適合與固體器官相結(jié)合。作為一個(gè)輻射單元，文學(xué)矩陣天線單元采用vivadi槽縫天線。1。陣列天線中單元天線之間的耦合直接影響天線性能,如輻射方向圖失真、副瓣升高、增益改變等;因此,陣列天線的去耦是設(shè)計(jì)中必須考慮的問(wèn)題.通常有2種方法去耦:一種是建立陣列天線的互耦系數(shù)矩陣,進(jìn)行互耦補(bǔ)償;另一種是對(duì)天線結(jié)構(gòu)本身進(jìn)行改進(jìn).目前,已有很多科學(xué)家利用EBG結(jié)構(gòu)和DGS缺陷地結(jié)構(gòu)的表面波帶隙特性來(lái)減小天線陣的互耦,以提高天線陣性能.AbbasAliLoftiNeyestanak等提出了一種蘑菇狀EBG結(jié)構(gòu)來(lái)抑制表面波的傳播,大大降低了單元間的互耦.但EBG結(jié)構(gòu)需要較多的周期性單元,會(huì)增加天線的面積;而DGS缺陷地結(jié)構(gòu)體積小、結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單.這2種結(jié)構(gòu)多用于微帶貼片天線中,文中將DGS結(jié)構(gòu)用于Vivald天線來(lái)改善陣列單元之間的互耦,并利用高頻結(jié)構(gòu)仿真軟件CST對(duì)天線進(jìn)行了建模、仿真分析和優(yōu)化.從仿真結(jié)果來(lái)看,該結(jié)構(gòu)能提高陣列天線增益,減小副瓣電平,可以有效地減小陣列天線的互耦.1天線的仿真及優(yōu)化加入DGS結(jié)構(gòu)的Vivaldi天線單元結(jié)構(gòu)圖1所示該天線由帶狀線—槽線饋電部分、介質(zhì)板和指數(shù)漸變開(kāi)槽接地板3部分組成.帶狀線—槽線饋電部分的設(shè)計(jì)將直接影響天線的寬帶特性,結(jié)構(gòu)參數(shù)主要有帶狀線寬WSL和槽線寬度WST,該饋電結(jié)構(gòu)由帶狀線—槽線過(guò)渡部分、圓形諧振腔和扇形微帶短接線組成.圓形諧振腔是在槽線末端加的環(huán)形結(jié)構(gòu),可以增加天線的阻抗帶寬,一般其直徑取中心頻率波長(zhǎng)的0.125左右,扇形微帶短接線使微帶線在更大的頻段上保持開(kāi)路狀態(tài),可以更好地使微帶線上的能量耦合到槽線上,提高天線的輻射效率,介質(zhì)基板尺寸選擇為30mm×14mm×2.4mm,介電常數(shù)為2.2.指數(shù)漸變開(kāi)槽部分由開(kāi)口率R和漸變曲線起點(diǎn)和終點(diǎn)決定.一般天線的漸變曲線開(kāi)口率R由天線的工作頻率決定,天線輻射部分槽線最窄處由最高頻率所對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)決定,槽線最寬處由最低頻率所對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)決定,根據(jù)X波段范圍,取R=0.3.為了進(jìn)一步研究天線各參數(shù)和天線性能的關(guān)系,用軟件CST對(duì)所設(shè)計(jì)的天線進(jìn)行了仿真分析和優(yōu)化.在天線單元加載DGS結(jié)構(gòu)——接地板上刻蝕長(zhǎng)方形缺陷地,抑制天線表面波,達(dá)到減小陣列單元之間的耦合,進(jìn)行分析優(yōu)化后得到單元天線尺寸如表1所示.用CST建模和仿真,回波損耗結(jié)果如圖2所示.在X波段(8～12.5GHz)回波損耗小于-10dB,加入DGS結(jié)構(gòu)后可以明顯增加天線單元的阻抗帶寬,工作頻率并沒(méi)有明顯偏移,說(shuō)明該結(jié)構(gòu)對(duì)天線的工作頻率并無(wú)明顯的影響;而在工作頻率范圍內(nèi)回波損耗降低了5dB左右,10GHz時(shí)回波損耗達(dá)到-27.4dB,完全符合設(shè)計(jì)要求.天線的E面和H面輻射方向如圖3所示,增益達(dá)到4.6dBi,3dB波束寬度達(dá)到94.3o,具有很好的寬角輻射特性,可作為天線陣列輻射單元.2次輻射的互環(huán)機(jī)理在研究互耦問(wèn)題時(shí)一般采用有源方向圖法.選定一個(gè)陣元接信號(hào)源作為參考單元,而將其他陣元接匹配負(fù)載,將所有的耦合都?xì)w入有源元,此時(shí)設(shè)第m個(gè)陣元得到的方向圖即為有源元方向圖gm(uf071,uf06a).有源元方向圖是由第m個(gè)單元的直接輻射場(chǎng),以及其他陣元通過(guò)空間耦合接收第m個(gè)陣元的功率產(chǎn)生的二次輻射場(chǎng)相結(jié)合而形成.接匹配負(fù)載單元從自身輻射出去一定能量,這些能量就相當(dāng)于是互耦效應(yīng)的存在,互耦機(jī)理如圖4所示.這樣形成的天線陣方向圖為在這里,全部耦合影響都組合在有源元方向圖gm(θ,ψ)中,它依賴于每個(gè)陣元的特性及天線陣的幾何結(jié)構(gòu).將之前所述的天線單元組成線陣形式,如圖5所示.單個(gè)DGS單元在某個(gè)頻率點(diǎn)具有衰減特性和截止頻率,其頻率特性和單極點(diǎn)Butterworth低通濾波器的響應(yīng)有相似之處,那么電磁特性可用集總參數(shù)電感和電流來(lái)描述,單個(gè)單元的等效電路圖為L(zhǎng)C并聯(lián)電路,其帶阻特性由諧振頻率和截止頻率決定,所有DGS單元的等效集總電路如圖6所示.連接DGS單元的金屬產(chǎn)生等效電容,整個(gè)電路特性為串聯(lián)的LC諧振回路,如濾波器般在某個(gè)頻段上阻止電流在導(dǎo)體上面流動(dòng),抑制表面波的傳播,即可以在一定程度上降低陣列單元之間由于二次輻射而造成的耦合影響,達(dá)到去耦的效果.3引入dgs結(jié)構(gòu)將Vivaldi槽縫天線為陣列單元,組成10元線陣,應(yīng)用有源方向圖法,首先只對(duì)中心陣元進(jìn)行饋電,分別加入DGS結(jié)構(gòu)和不加DGS結(jié)構(gòu)2種情況進(jìn)行仿真,結(jié)果如圖7所示.同元因子方向圖比較可知:不加DGS結(jié)構(gòu)時(shí),由于互耦的影響,中心陣元的方向圖發(fā)生了較大的變化;而引入DGS結(jié)構(gòu)后,中心單元的方向圖更接近于元因子的方向圖,說(shuō)明引入DGS結(jié)構(gòu)可以減小天線陣的互耦.對(duì)于全激勵(lì)陣列天線,采用契比雪夫激勵(lì)進(jìn)行饋電沒(méi)有互耦時(shí),各副瓣電平應(yīng)該是等幅的.圖8(a)和(b)給出了考慮耦合時(shí),在10和12GHz條件下,加入DGS結(jié)構(gòu)和不加DGS結(jié)構(gòu)的2種仿真結(jié)果;同時(shí),也給出了DGS寬度不同情況下的仿真結(jié)果,如圖8(c)所示.表2對(duì)圖8(a)和(b)方向圖特性進(jìn)行了總結(jié).從表2可以看出,當(dāng)頻率為中心頻率10GHz時(shí),加入DGS結(jié)構(gòu)后,增益增加了2.1dBi,3dB波束寬度增加了0.4°,副瓣電平降低了0.7dB;同樣,12GHz時(shí),增益提高了2dBi,3dB波束寬度增加了0.6°,副瓣電平降低了1.4dB,并且每個(gè)波束零陷處電平值均有所降低.由圖8知,改變DGS的寬度值,n=1mm較n=0.5mm情況下,主瓣寬度影響不大,但是副瓣電平趨于平穩(wěn),第一副瓣電平降低了2.4dB.由此可以看出DGS結(jié)構(gòu)對(duì)Vivaldi天線陣減小互耦、改善方向性能的效果是明顯的.4抗帶寬仿真分析互耦是影響陣列天線性能的一個(gè)重要因素,單元間的互耦分析相對(duì)復(fù)雜,文中從改善單元天線結(jié)構(gòu)出發(fā),在Vivaldi天線單元中加載DGS結(jié)構(gòu),理論