近年來，科技飛速發(fā)展，軍事發(fā)展突飛猛進。在未來戰(zhàn)場上，性能更為優(yōu)秀的天線通訊設(shè)備將成為取得勝利的一大重要因素。研制更好的天線將會使己方擁有更多的電磁頻譜控制權(quán)，在未來信息戰(zhàn)的時代才能更好地完成電子偵察與反偵察、干擾與反干擾等任務(wù)。其中相控陣?yán)走_(dá)在電子戰(zhàn)中一直是不可或缺的一個部分，這種雷達(dá)能夠很好地完成定位、跟蹤、指導(dǎo)遠(yuǎn)程精確打擊等任務(wù)。

 

在如今信息化的戰(zhàn)場上，相控陣?yán)走_(dá)已然是雷達(dá)發(fā)展的主要方向，較之于傳統(tǒng)雷達(dá)，擁有更多的功能，能夠獲取到更多更精準(zhǔn)的目標(biāo)信息。在現(xiàn)階段的發(fā)展中，寬帶技術(shù)被引入相控陣?yán)走_(dá)之中，寬帶天線單元在相控陣?yán)走_(dá)中被廣泛應(yīng)用。而且寬帶天線單元在一定程度上決定著整個雷達(dá)的方向圖特性。

 

在應(yīng)用于機載相控陣中的天線單元中，要求天線單元具有寬頻帶特性以達(dá)到相控陣寬波束掃描的要求。同時，機載天線還有更為嚴(yán)苛的要求，不僅要求寬頻帶的特性，而且還要求在滿足天線性能的同時要對天線的尺寸進行小型化設(shè)計，以節(jié)省成本，降低阻力和重量。目前主流的寬帶相控陣單元中有Vivaldi天線、微帶貼片天線、螺旋天線、雙錐天線等多種天線。其中，一般考慮的是采用Vivaldi天線或是微帶貼片天線作為相控陣天線單元。

 

Vivaldi天線具有非周期性的結(jié)構(gòu)，是一種漸變的行波天線Error! Reference source not found.，通常能夠達(dá)到極高的增益，且極化方式為線極化。而且Vivaldi天線因其天線的電尺寸、方向圖不隨工作頻率的不同而變化的特性，致使其頻帶在理論上可以認(rèn)為相當(dāng)寬。Vivaldi天線還擁有副瓣低、波束寬度可調(diào)的特性，這些特性使其不管是作為獨立單元，亦或是組陣陣元都能擁有極佳的性能。

 

Vivaldi天線與微帶貼片天線雖然都可適用于機載天線組陣單元，但是本文中將要研究的天線帶寬需要做到覆蓋整個X波段。而微帶貼片天線雖然具有易共形的特點，但是頻帶寬度較窄，無法做到覆蓋整個X波段，因此本文選擇頻帶更寬的Vivaldi天線進行研究。

 

2 Vivaldi 天線設(shè)計

2.1 Vivaldi 天線結(jié)構(gòu)概述

Vivaldi 天線作為一種行波天線，需要滿足行波機制的要求，Vivaldi 天線的長度 L、寬度 W 以及指數(shù)漸變線 y 的尺寸一般能夠通過以下公式獲得。首先，Vivaldi 天線的長度 L 應(yīng)大于波長 λ 的一半，即：

 

 

 

λ 為最大工作波長。而天線的寬度 W 應(yīng)大于波長 λ 的四分之一，即：

 

 

 

Vivaldi 天線的槽線屬于為指數(shù)漸變線，這類指數(shù)漸變線使 Vivaldi 天線擁有相比于其他普通槽線天線更寬的帶寬。在圖 2-1 中 P1(x1,y1)為槽線的起點，P2(x2,y2)為槽線的終點，因此漸變指數(shù)槽線能夠表示為：

 

 

圖 2-1. Vivaldi 天線示意圖

 

其中，K 為指數(shù)曲線的增長率，決定了槽線的彎曲程度，C1、C2為通過兩個定點計算出來的常數(shù)?？梢酝ㄟ^下列兩個式子計算得出：

 

 

 

不同頻率下，Vivaldi 天線能夠利用指數(shù)漸變曲線的不同區(qū)域進行輻射[2]。根據(jù)天線的輻射性質(zhì)不同，一般會劃分為饋電區(qū)、傳播區(qū)和輻射區(qū)三部分。

 

 

圖 2-2. Vivaldi 天線區(qū)域示意圖

 

在圖 2-2 中，在 W<WE的區(qū)域內(nèi)的電磁場為天線的饋電區(qū)，一般 Vivaldi 天線的饋電方式有三種：微帶線饋電、共面波導(dǎo)饋電或者是同軸線饋電，本文使用阻抗變換巴倫，利用正面槽線部分連接的開路諧振腔和微帶線末端連接的扇形貼片實現(xiàn)微帶線和槽線之間的匹配。

 

在 WE>W>WA的范圍內(nèi)，屬于天線的傳播區(qū)，在這個區(qū)域的耦合到槽線的能量會因為槽線間過近的間隔致使能量被限制于槽線之中無法進入自由空間，只能通過電磁波在傳播區(qū)域中傳播。

 

當(dāng)電磁場在 W0>W>WE的范圍內(nèi)，屬于天線的輻射區(qū)，當(dāng) Vivaldi 天線在工作時，電磁場會以波的形式沿著指數(shù)漸變槽線傳播，而在輻射區(qū)域內(nèi)，當(dāng)電長度為輻射波長的二分之一時，電磁波將會輻射到自由空間。

 

而且，根據(jù)理論，天線在高頻范圍內(nèi)具有良好的阻抗特性時，較長的輻射內(nèi)臂能夠使其擁有較大的帶寬。

 

本文選擇采用兩節(jié)切比雪夫阻抗變換器以及一個扇形微帶貼片，組成扇形微帶短截線對文中所設(shè)計的天線進行饋電。并加載多個 Y 型縫隙使回波損耗特性得到改善。

 

3 Vivaldi 天線仿真建模與參數(shù)設(shè)置

本文設(shè)計了一款工作于 X 波段的加載多個 Y 型縫隙的 Vivaldi 天線，尺寸為 53.25mm×30mm，并通過在達(dá)索三維全波電磁場仿真工具 CST 中進行建模設(shè)計與參數(shù)優(yōu)化。

 

3.1 天線具體建模操作

本次建模采用的是達(dá)索三維全波電磁場仿真工具 CST，版本為 2016 版。本次建模的為平面天線，因此，選擇 CST 工具中的 MWs 工作室中 antenna 中的 planar 進行建模。本次所設(shè)計的天線帶寬覆蓋整個 X 波段，因此屬于寬帶，根據(jù)經(jīng)驗，選擇時域求解器作為求解器。設(shè)置各項單位時，一般天線設(shè)計為達(dá)到低剖面小型化的要求，一般尺寸不會過大，選取長度單位為 mm，時間為 ns，根據(jù)要求頻段 8~12GHz，頻率設(shè)置單位為GHz。本次實驗中采用的介質(zhì)基板為相對介電常數(shù)為 2.15 的介質(zhì)材料，厚度為 0.5008mm，尺寸為53.25mm×30mm。

 

本次建模中通過工作欄中的 brick 并輸入對應(yīng)參數(shù)進行基板建模操作。然后，選中介質(zhì)基板上表面，通過Extrude 操作建立一個貼合上表面的材質(zhì)為 PEC 的貼片 patch。通過 Local WCS，創(chuàng)建一個局部坐標(biāo)系，通過transform 操作移動 WCS 至預(yù)定位置，通過工作欄中的 Cylinders 來創(chuàng)建上表面的圓形諧振腔。將 WCS 移動至下一預(yù)定位置，通過 Curves 中的 Analytical Curve，計算上文式 2-4 和式 2-5 的常數(shù) C1、C2，并將常數(shù)代入式 2-3 中，獲得內(nèi)臂上曲線。通過工具欄中的 transform 中的 mirror 操作獲得內(nèi)臂下曲線，并使用直線將兩條曲線進行閉合連接，以確保后面能夠執(zhí)行 Extrude 操作。將之前的圓形諧振腔和內(nèi)臂圍成區(qū)域通過布爾操作相加在一起，并通過布爾操作中的 substract 操作將之前相加的區(qū)域從 patch 上減去。這樣就能獲得一個普通Vivaldi 天線的上表面，如圖 3-1 所示。

 

 

圖 3-1. 普通 Vivaldi 天線上表面

 

而對于本文中設(shè)計的 Y 型縫隙則同樣通過局部坐標(biāo)系 WCS，在上方通過布爾操作畫出五條 Y 型縫隙，Y 型縫隙從左到右，高度依次遞減，從 6.5mm 到 4.5mm，遞減數(shù)為 0.5mm，寬度為 1mm，同時 Y型開叉長度為 1.414mm，各縫隙之間的間距為 6mm。在畫好上方的 Y 型縫隙后，通過 transform 中的mirror 操作將上方的 Y 型縫隙對稱到下方，然后通過布爾操作中的相減操作，將兩邊的 Y 型縫隙減去，最后得到圖 3-2 中的左圖，為本次設(shè)計的天線上表面。

 

 

圖 3-2. 天線上下表面示意圖

 

對于圖 3-2 中的右圖，即下表面的建模，首先通過 CST 工具自帶的 Marcos 中的 Calculate 進行饋線的阻抗計算，以獲得較為確切的饋線參數(shù)，而扇形貼片的角度取值為 90°，半徑為 2.5mm，通過局部坐標(biāo)系的調(diào)整和布爾操作，可以獲得一條完整的扇形微帶短截線，且該短截線的材料設(shè)置為 PEC。

 

3.2 激勵源設(shè)置

在建模完畢的情況下，將需要根據(jù)經(jīng)驗來設(shè)置激勵源，使用 Waveguide port 進行激勵源設(shè)置，對于這種微帶線，波端口的下邊緣必須與上表面重合。假設(shè)微帶線的線寬為 w，介質(zhì)層厚度為 h，則波端口高度一般設(shè)置為 6~10h；當(dāng) w≥h 時，波端口的寬度一般設(shè)置為 10w，當(dāng) w<h 時，波端口的寬度一般設(shè)置為 5w 或 3~4h。

 

3.3 天線其他條件設(shè)置

因為本文設(shè)計的天線的工作頻帶為 8~12GHz，因此設(shè)置頻率范圍為 7~13GHz，background 設(shè)置為 Normal，邊界條件設(shè)置為 open(add space)，求解器的網(wǎng)格設(shè)置為 Hexahedral，準(zhǔn)確值設(shè)定為-40dB。

 

4 仿真結(jié)果導(dǎo)出與分析

首先是最主要的 S 參數(shù)分析，如圖 4-1 所示。圖中的 S 參數(shù)顯示從 8GHz 到 12GHz 的曲線均處于-10dB以下，符合設(shè)計要求。而且可以達(dá)索三維全波電磁仿真工具 CST 支持導(dǎo)出數(shù)據(jù)以供 origin、matlab 等畫圖軟件繪制曲線。通過工具欄中的 Post Processing 中的 Import/Export 導(dǎo)出對應(yīng)的 S11 參數(shù)值，參數(shù)值以文本形式保存于電腦中，以便導(dǎo)入其他繪圖軟件，具體如圖 4-2 所示，前一列為頻率，后一列為損耗值。

 

 

圖 4-1. Vivaldi 天線回波損耗

 

 

圖 4-2. 部分回波損耗參數(shù)表

 

 

圖 4-3. Vivaldi 天線電壓駐波比

 

同樣的對于 VSWR（電壓駐波比），數(shù)據(jù)后處理也類似于 S 參數(shù)，如圖 4-3 所示。在圖中可以看出在8~12GHz 的頻率范圍內(nèi)，該天線電壓駐波比低于 2，符合設(shè)計要求，同時也可以通過導(dǎo)出數(shù)據(jù)的文本形式用于在其他繪圖軟件中進行數(shù)據(jù)后處理。

 

其次是判斷天線的增益是否符合要求。如圖 4-4 所示，當(dāng)頻率為 8GHz 的時候，最大增益為 8.517dB；

 

 

圖 4-4. f=8GHz

 

如圖 4-5 所示，當(dāng)頻率為 9GHz 的時候，最大增益為 8.206dB；

 

 

圖 4-5. f=9GHz

 

如圖 4-6 所示，當(dāng)頻率為 10GHz 時，最大增益為 7.697dB；

 

 

圖 4-6. f=10GHz

 

如圖 4-7 所示，當(dāng)頻率為 11GHz 的時候，最大增益為 8.055dB；

 

 

圖 4-7. f=11GHz

 

如圖 4-4(e)所示，當(dāng)頻率為 12GHz 的時候，最大增益為 8.259dB。

 

 

圖 4-8. f=12GHz

 

可以看出這幾個節(jié)點的增益均大于 6dB，且以 0.06GHz 為 stepsize 時，仿真出來的結(jié)果中均可以看到最大增益大于 6dB，符合設(shè)計要求。且每個節(jié)點對應(yīng)的增益變化不大，符合 Vivaldi 天線增益不隨頻率變化的特點。

 

5 結(jié)論

本文以達(dá)索三維全波電磁仿真工具 CST 為載體，針對實現(xiàn)覆蓋 X 波段的機載天線這一問題，在電磁 MWs工作室中，建立了 Vivaldi 天線仿真模型。通過設(shè)置對應(yīng)激勵源和求解器，仿真出天線的回波損耗和電壓駐波比以及特定頻率的電磁場方向圖。

 

但是，仿真終究是理想化的結(jié)果，在實驗中采用都是 PEC 的無損耗導(dǎo)體，與現(xiàn)實中的實物測試存在一定的差異。在后續(xù)的電磁仿真的研究上，使用其他介質(zhì)材料或者使用其他形狀的縫隙都會提升天線的效率和性能。在之后的工作中，完善模型和激勵源需要深厚的理論基礎(chǔ)和工程實踐經(jīng)驗，同時也學(xué)要技術(shù)人員之間密切合作。

 

資料來源：達(dá)索官方