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摘 要：为了满足未来雷达多功能、多任务的战场需求，本文设计并制造了一种基于紧耦合的超宽带天线，频带覆盖6～18GHz。该天线具有超宽频带、剖面低、易共形等特点。仿真设计表明该阵列天线在超宽频带内驻波低于2.1。
关键词：紧耦合 超宽带 仿真分析
中图分类号：TN820 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2018）10（a）-0080-02
随着现代雷达技术的发展，现代战争中单一雷达或者单一武器已经无法形成对敌方的有效压制。倘若只是将原有的技术设备进行简单叠加，一是很难实现压制对方；二是叠加的武器系统很难避免互相的干扰；三是叠加的武器系统必然带来资源的浪费。传统的单功能雷达天线，其工作带宽一般控制在百分之十几左右。为了提高天线的带宽，相控阵雷达出现在人们的视野里，但其拓展阻抗带宽的方式局限于增加阵列单元来拓展带宽。增加天线单元时需要抑制单元间的互耦，这就要求天线单元间的间距要扩大，或者在天线单元间引入抑制互耦的结构。间距的扩大必然使相控阵的体积增大，这不利于后期相控阵的整形；加入抑制互耦的结构必然增加相控阵的复杂度。这两种方式并不利于相控阵的小型化，并且依据该设计方式设计的天线阵列效率并不高。
基于传统相控阵设计的不利点，本文提出一种基于紧耦合的天线设计方式。该方法通过引入相邻单元间的耦合电容来抵消地板所引起的感性效应。由于紧耦合思想是为了引入单元间的耦合，单元间的距离可以做到很小；其次，引入的耦合电容抵消掉地板的感性效应，天线的阻抗带宽可以得到很大提升，从而实现超宽频带的带宽。且该类天线具有截面小、剖面低、RCS小等特点。针对该类基于紧耦合的相控阵优良特性展开深入研究，对展宽相控阵雷达天线带宽有着重要意义，同时对实现未来雷达多功能、多任务的战场需求有着指导意义。
1 工作原理与设计
1.1 紧耦合天线原理
紧耦合天线原理最早可以追溯到Wheeler提出的理想电流片（current sheet array）模型。利用Wheeler的电流片模型理论可推导出无限周期互联的短偶极子阵的带宽接近理论值。但该理想模型无法再在实际环境中实现。阵列无限大可以通过将阵列做得足够大解决，但是理想空间在现实中无法模拟。几乎所有的阵列天线在应用时都需要有一个背腔接地板，来屏蔽后端馈电网络对阵列天线的影响并使波束只在上半区域扫描。地板的引入使得辐射阻抗在低频点呈现强感性，这是由于此时天线阵列与地板呈现短路所致。而为了拓展带宽这种感性效应必须得到补偿。基于此，Munk通过引入单元间耦合电容以抵消地板引起的感性效应。
1.2 超宽带巴伦
巴伦（balun）即非平衡平衡转换器。巴伦的作用体现在两方面：一是完成非平衡信号到平衡信号的转变；二是实现与馈电端口的阻抗匹配。最典型的Marchand巴伦由微带耦合线组成，非平衡信号由前端四分一波长微带耦合线输入，在两段相同长度的微带耦合线作用下，平衡信号由后端平衡端口输出。
本文旨在尽量不改变原天线结构的同时加入巴伦结构，从而进一步展宽频带。原理图如图1所示。
巴伦结构可以看作开路支节和短路支节。在只考虑最优的情况下，开路支节的阻抗应很小（小于20Ω）、短路支节阻抗应尽量大（大于100Ω）、馈线阻抗也应尽量大（大于100Ω）。理想情况下带宽可以达到6倍频至7倍频[5]。但是需要的精度非常高，低成本的PCB技术无法满足该精度。在毫米波频段，用PCB技术来制造一个阻抗覆盖区间大的巴伦结构较困难。微带线可以提供较大的阻抗，但是很难通过微带线来实现小的阻抗；若使用带状线，那么在输入口的线宽又非常小，单独运用微带线或者带状线很难实现较宽的阻抗带宽。本文为了实现较宽频带内的阻抗匹配，将微带线和带状线结合使用，这样同时可以实现100Ω到20Ω的阻抗变换，可以同时满足开路支节较小的阻抗（20Ω）及较大的馈线阻抗（100Ω）。结构如图2所示左侧为微带线，通过介质板打孔，与下层右侧带状线相连（带状线上下地未标出）。
1.3 天线结构
天线单元如图3所示，由介质板、偶极子、巴伦、用于引入单元间耦合电容的金属片组成。天线由两层PCB板组成，两层PCB板子由半固化片連接。
2 仿真分析
仿真分析通过加入二维周期边界条件来模拟阵列仿真，在加入由微带线和带状线组成的巴伦之后，频带覆盖6～18GHz。除低频点驻波在2.1，其他频带均满足驻波低于2。
3 结语
本文针对未来雷达多功能多任务的需求，设计仿真了频带覆盖6～18GHz的超宽带阵列天线单元。仿真结果显示：在频带内驻波低于2.1，除低频点较高外，其他频带可满足驻波低于2的要求。
参考文献
[1] BA Munk.“Broadband Wire Arrays，” in Finite AntennaArrays and FSS[M].Wiley-IEEE Press，2003：181-213.
[2] 米大伟.超宽带紧耦合相控阵研究[D].西安电子科技大学，2015.
[3] Jonathan P.Doane，Kubilay Sertel，Senior ，and John .Volakis.A Wideband，Wide Scanning Tightly Coupled ipole Array With Integrated Balun（TCDA-IB）[J].IEEE Transactions on Antennas and Propagati-on，2013，61（9）：4538-4548.
[4] 戴永胜，李旭，宋丹.基于LTCC技术超小型宽带巴伦的设计与实现[J].微波学报，2014，30（1）：51-54.
[5] Markus H.Novak ，Félix A.Miranda，JohnL.Volakis Ultra-wideband phased array for small satellite communications.[J].IET Microwaves，Antennas & Propagation，2017，11（9）：1234-1240.
[6] 袁晶，王元源，华根瑞.超宽带Vivaldi阵列天线设计[J].火控雷达技术，2012，41（4）：81-82.
关键词：紧耦合 超宽带 仿真分析
中图分类号：TN820 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2018）10（a）-0080-02
随着现代雷达技术的发展，现代战争中单一雷达或者单一武器已经无法形成对敌方的有效压制。倘若只是将原有的技术设备进行简单叠加，一是很难实现压制对方；二是叠加的武器系统很难避免互相的干扰；三是叠加的武器系统必然带来资源的浪费。传统的单功能雷达天线，其工作带宽一般控制在百分之十几左右。为了提高天线的带宽，相控阵雷达出现在人们的视野里，但其拓展阻抗带宽的方式局限于增加阵列单元来拓展带宽。增加天线单元时需要抑制单元间的互耦，这就要求天线单元间的间距要扩大，或者在天线单元间引入抑制互耦的结构。间距的扩大必然使相控阵的体积增大，这不利于后期相控阵的整形；加入抑制互耦的结构必然增加相控阵的复杂度。这两种方式并不利于相控阵的小型化，并且依据该设计方式设计的天线阵列效率并不高。
基于传统相控阵设计的不利点，本文提出一种基于紧耦合的天线设计方式。该方法通过引入相邻单元间的耦合电容来抵消地板所引起的感性效应。由于紧耦合思想是为了引入单元间的耦合，单元间的距离可以做到很小；其次，引入的耦合电容抵消掉地板的感性效应，天线的阻抗带宽可以得到很大提升，从而实现超宽频带的带宽。且该类天线具有截面小、剖面低、RCS小等特点。针对该类基于紧耦合的相控阵优良特性展开深入研究，对展宽相控阵雷达天线带宽有着重要意义，同时对实现未来雷达多功能、多任务的战场需求有着指导意义。
1 工作原理与设计
1.1 紧耦合天线原理
紧耦合天线原理最早可以追溯到Wheeler提出的理想电流片（current sheet array）模型。利用Wheeler的电流片模型理论可推导出无限周期互联的短偶极子阵的带宽接近理论值。但该理想模型无法再在实际环境中实现。阵列无限大可以通过将阵列做得足够大解决，但是理想空间在现实中无法模拟。几乎所有的阵列天线在应用时都需要有一个背腔接地板，来屏蔽后端馈电网络对阵列天线的影响并使波束只在上半区域扫描。地板的引入使得辐射阻抗在低频点呈现强感性，这是由于此时天线阵列与地板呈现短路所致。而为了拓展带宽这种感性效应必须得到补偿。基于此，Munk通过引入单元间耦合电容以抵消地板引起的感性效应。
1.2 超宽带巴伦
巴伦（balun）即非平衡平衡转换器。巴伦的作用体现在两方面：一是完成非平衡信号到平衡信号的转变；二是实现与馈电端口的阻抗匹配。最典型的Marchand巴伦由微带耦合线组成，非平衡信号由前端四分一波长微带耦合线输入，在两段相同长度的微带耦合线作用下，平衡信号由后端平衡端口输出。
本文旨在尽量不改变原天线结构的同时加入巴伦结构，从而进一步展宽频带。原理图如图1所示。
巴伦结构可以看作开路支节和短路支节。在只考虑最优的情况下，开路支节的阻抗应很小（小于20Ω）、短路支节阻抗应尽量大（大于100Ω）、馈线阻抗也应尽量大（大于100Ω）。理想情况下带宽可以达到6倍频至7倍频[5]。但是需要的精度非常高，低成本的PCB技术无法满足该精度。在毫米波频段，用PCB技术来制造一个阻抗覆盖区间大的巴伦结构较困难。微带线可以提供较大的阻抗，但是很难通过微带线来实现小的阻抗；若使用带状线，那么在输入口的线宽又非常小，单独运用微带线或者带状线很难实现较宽的阻抗带宽。本文为了实现较宽频带内的阻抗匹配，将微带线和带状线结合使用，这样同时可以实现100Ω到20Ω的阻抗变换，可以同时满足开路支节较小的阻抗（20Ω）及较大的馈线阻抗（100Ω）。结构如图2所示左侧为微带线，通过介质板打孔，与下层右侧带状线相连（带状线上下地未标出）。
1.3 天线结构
天线单元如图3所示，由介质板、偶极子、巴伦、用于引入单元间耦合电容的金属片组成。天线由两层PCB板组成，两层PCB板子由半固化片連接。
2 仿真分析
仿真分析通过加入二维周期边界条件来模拟阵列仿真，在加入由微带线和带状线组成的巴伦之后，频带覆盖6～18GHz。除低频点驻波在2.1，其他频带均满足驻波低于2。
3 结语
本文针对未来雷达多功能多任务的需求，设计仿真了频带覆盖6～18GHz的超宽带阵列天线单元。仿真结果显示：在频带内驻波低于2.1，除低频点较高外，其他频带可满足驻波低于2的要求。
参考文献
[1] BA Munk.“Broadband Wire Arrays，” in Finite AntennaArrays and FSS[M].Wiley-IEEE Press，2003：181-213.
[2] 米大伟.超宽带紧耦合相控阵研究[D].西安电子科技大学，2015.
[3] Jonathan P.Doane，Kubilay Sertel，Senior ，and John .Volakis.A Wideband，Wide Scanning Tightly Coupled ipole Array With Integrated Balun（TCDA-IB）[J].IEEE Transactions on Antennas and Propagati-on，2013，61（9）：4538-4548.
[4] 戴永胜，李旭，宋丹.基于LTCC技术超小型宽带巴伦的设计与实现[J].微波学报，2014，30（1）：51-54.
[5] Markus H.Novak ，Félix A.Miranda，JohnL.Volakis Ultra-wideband phased array for small satellite communications.[J].IET Microwaves，Antennas & Propagation，2017，11（9）：1234-1240.
[6] 袁晶，王元源，华根瑞.超宽带Vivaldi阵列天线设计[J].火控雷达技术，2012，41（4）：81-82.