一种低交叉极化相控阵单元的设计

张闻涛，张晓辉

(中国空空导弹研究院，河南 洛阳 471009)

0 引 言

近些年由于集成电路和半导体技术的迅猛进步，相控阵技术得到了飞速的发展。相控阵天线以其波束指向灵活、指向切换速度较快且无惯性、易于赋形等特点在机载雷达、弹载雷达等诸多领域中被广泛使用[1]。相控阵天线是相控阵雷达的关键组成部分，其性能优劣对雷达有着至关重要的影响。天线的主要性能指标有增益、半功率波束宽度、副瓣等指标，而人们对天线的交叉极化研究较少，天线的交叉极化定义为主极化与交叉极化平面的电场分量之比，由于天线极化的特殊性，任何天线都会有不同程度的交叉极化分量[2]。

微带因其结构简单且重量较轻、易于共形等特点近些年也被广泛应用在了雷达天线上，很多学者对微带天线的交叉极化开展了大量的研究[3]，但大多集中在固定波束的天线设计上，相控阵天线研究相对较少。在微带天线中，角馈微带天线抑制交叉极化研究方法较多，文献[4]中研究了角馈方形贴片的电流分布，得出了在贴片末端增加一段延长线可减小交叉极化的结论，文献[5]中通过在角馈方形贴片微带天线上开槽抑制交叉极化，交叉极化增益降低到了-42 dB，普通的辐射贴片与馈电网络在一面上均会有较强的辐射，会产生较强的交叉极化，普通单面微带偶极子单元的交叉极化一般为-20 dB，这将会严重影响测角误差[6]。为了改善交叉极化特性，利用电场的相互抵消特性，文献[7]提出了双面辐射微带偶极子的设计方法，交叉极化分量有了明显的改善，约为-35 dB，但交叉极化分量的分布并不平坦，仅是在法向角度附近区域量级较低，随着角度的增大，量级会恶化至-30 dB左右[8]，交叉极化对单脉冲雷达的测角有着较为严重的影响，交叉极化增大后会引起方位或俯仰的失调角增大，从而造成目标的丢失[9]。此外交叉极化对抗干扰也有着不可忽视的影响，因此研究单脉冲雷达下的微带相控阵的交叉极化特性对高性能雷达有着重要意义。

本文考虑了工程中装夹夹具对天线的影响，提出了一种宽带低交叉极化的相控阵单元，利用双面印刷阵子电场反相抵消的特性和短路销钉加载的方式，抑制馈电巴伦带来的耦合效应，使得单元的交叉极化电平在很宽的角度上降低到了-50 dB的量级，波束扫描中交叉极化并未明显抬高恶化现象，满足相控阵单元对交叉极化的要求。

1 原理分析

天线设计的极化或期望的极化称为主极化，而与之正交的极化则称为交叉极化，实际上不同形式的天线产生交叉极化的方式不同，交叉极化的量级也相差较大，为了描述天线的极化纯度，业界提出了交叉极化鉴别率(XPD)，其定义为：

(1)

式中:Em为天线的主极化；Ec为天线的交叉极化。

Vivaldi天线属于行波天线，其电场是在不断流动的，目前还难以给出电场和磁场的准确计算公式。不失一般性，利用微带偶极子的特性推导出了交叉极化的公式[10]，假设垂直极化为主极化：

(2)

式中：EV、EH表示电场的垂直极化分量和水平极化分量;θ、φ表示空间的俯仰角和方位角。

由式(2)可以看出，线极化的交叉极化鉴别率是一个关于空间剖面、扫描角的函数，极化比随着扫描角改变而改变。对于相控阵天线来说，交叉极化随着扫描角度的增大而增大，这就给大扫描角下的雷达性能较大的影响，因此需要研究波束扫描下的交叉极化的变化情况。

2 单元设计

Vivaldi天线是一种超宽带天线，能够在很宽的频带内保持良好的匹配特性，在宽带相控阵中得到了广泛的使用。常见的Vivaldi天线有单面、双面及对踵等形式，每种天线都有各自的特点。考虑到工程应用，本文选取形式为带状线巴伦馈电的双面微带偶极子的形式，天线由双面微带偶极子、带状线馈电巴伦、金属夹具底座、短路销钉(金属化过孔)、微带线与同轴连接器等组成，结构如图1所示。

图1 微带馈电的双面Vivaldi天线模型图

天线的表面波是Vivaldi天线产生交叉极化较高的主要原因。很据天线的电场分布，双面偶极子相对于单面偶极子具有更宽的宽带特性和较低的交叉极化特性，单面偶极子的电场分布与双面偶极子电场分布对比图如图2所示。

图2 单双面偶极子电场分布图

从电场分布可以看出，采用双层介质板后，介质板中的横向交叉极化分量相互抵消，交叉极化分量相对于单面会有明显的改善，电平一般为-20～30 dB量级：相对于单面天线，双面Vivaldi天线在一定程度上利用双面电场的互相抵消特性显著改善了天线的交叉极化特性，馈电巴伦的辐射也得到了抑制，但是绝对量级依然不够，且只是在法向附近一个较小的角度内实现较低的交叉极化电平，其余角度依然较高，不满足相控阵单元对交叉极化的要求。

Vivaldi天线是行波天线，由行波天线原理可知，电磁波在槽线中边流动边辐射，从而能够实现宽带工作，但在实际中发现，Vivaldi天线中不仅有行波能量还有驻波能量。驻波能量的主要来源是天线在低频工作中，由于天线的尺寸或宽度不能满足低频天线的辐射要求，使得低频能量不能够完全而有效地辐射。一部分能量会通过端口反射回来；一部分能量会以表面波形式再次辐射。由于扫描角的需要，相控阵天线尺寸受到了间距的很大限制，一般约为二分之一个波长，这也就使得天线宽度必须压缩在一个较小的尺寸内。为了减小天线的尺寸，微带天线通常选用介电常数较高、损耗较小的基板。即便如此，也难以满足低频驻波对天线基板尺寸的要求，只能优化巴伦与天线输入阻抗，从而满足匹配的要求，但这是以牺牲天线的交叉极化电平和增益来换取有源驻波的匹配。

表面波不仅是产生交叉极化的原因，馈电网络对交叉极化的贡献亦不可忽略。对天线及馈电巴伦进行了仿真，电场对比如图3所示。

图3 天线电场分布图(馈电为抑制)

从双面Vivaldi电场分布图上可明显看出，该类型的天线馈电巴伦多为带状线，且在槽线的起始处为开路状态，电磁波在流经巴伦时，由于介质板内能量有较大的耦合效应，使得巴伦的能量一部分顺着巴伦流向了天线，一部分耦合至微带基板的边缘，馈线路径上的耦合及开路处的耦合共同使得天线边缘处的非辐射能量增加，严重恶化了交叉极化。基于此，为了抑制馈电巴伦的耦合效应，可以采取多种措施。本文采用较为简单、也易于加工的金属化过孔对耦合效应进行抑制，在馈电线的两边及馈电与天线单元间增加一排金属化过孔，横向上束缚馈电巴伦的能量，纵向上将辐射区域与馈电区域进行隔离，通过优化金属化过孔的位置和排列重新对电场分布进行分析和仿真，如图4所示。

图4 天线电场分布图(馈电抑制)

增加金属化过孔抑制馈电耦合效应后，天线辐射的电场与馈电巴伦对基板的耦合二者相互耦合显著减小，馈电能量得到了有效的束缚，优化后交叉极化在整个方位角度内低于-40 dB，法向附近优于-50 dB，较未增加隔离措施的情况增加了约为-20 dB。馈电抑制后天线单元方向图如图5所示。

图5 馈电抑制后天线单元方向图

3 阵列扫描

相控阵天线由于间距减小，单元之间的互耦影响不可忽略，为了评估互耦对交叉极化特性的影响，也同时检验阵中单元方向图是否有盲点，需要在互耦环境下对单元进行评估，这里建立了一个7×7的阵列，中心单元在2个主平面上各考虑了2圈单元的互耦，互耦量级约为-23 dB，呈单调下降趋势，阵中单元归一化方向图如图6所示，单元增益约为7 dB，全角度内交叉极化曲线较为平坦，最大交叉极化量级约为-45 dB，与孤立单元基本相当，完全满足低交叉极化相控阵天线单元的要求。

图6 阵中单元有源方向图

由公式(2)可知，交叉极化会随着扫描方向图波位的增加而增加，尤其是在大角度时，交叉极化会有明显的恶化，主要是由于较强互耦引起的反射所致。为了验证扫描后方向图的交叉极化抑制情况，按照天线实际长度沿着天线的E面和H面分别组建了十二单元的线阵，波束扫描范围为±45°，扫描角间隔15°，给出了扫描至45°的阵列2个主平面的方向图，如图7、图8所示。

图7 单元线阵扫描方向图(H面)

图8 单元线阵扫描方向图(E面)

从仿真结果可看出，E面、H面扫描至45°波位，E面交叉极化略高，约为-48 dB，H面为-52 dB，在整个扫描过程中，天线主波束扫描正常，电平一直保持在-45 dB以下，交叉极化无明显恶化和抬高现象，满足相控阵天线低交叉极化的要求。

4 结 论

本文主要对影响微带天线的交叉极化的主要因素进行了分析，设计了一种同轴转带状线巴伦馈电的双面Vivaldi天线，利用双面印刷阵子电场反相抵消的特性和采用短路销钉加载的方式，抑制了馈电巴伦带来的耦合效应，使得单元的交叉极化电平在很宽的角度上降低到了-50 dB的量级。对单元进行组阵，阵中有源方向图正常无畸变，交叉极化较为平坦，约为-45 dB，同时沿着E面、H面组阵进行波束扫描，波束扫描正常，扫描过程中交叉极化电平最大一直保持在-45 dB以下，无明显恶化和抬高现象，设计的Vivaldi相控阵天线具有宽带、低交叉极化的特性，满足相控阵天线组阵的要求。该方法简单、有效，为低交叉极化的相控阵单元设计提供了一条有效的技术途径。