双极化开槽天线阵列驻波畸点的研究

1 引言

雷达、电子战、通信系统融合在一起，形成一体化的综合电子信息系统已成为现代电子战装备发展的主流方向，其构成的基础即是超宽频带、多功能有源相控阵天线。此相控阵天线的辐射面应具有宽频带、波束宽角电扫描、多极化功能。

渐张开槽天线良好的宽带宽角扫描特性使其广泛用于超宽带、宽角扫描双极化相控阵天线。但是开槽天线在大角度扫描时（±45°，尤其是H面），谐振造成的驻波畸点限制了带宽。渐张开槽天线单元和其组成的双极化阵列如图1（a）上和图1（b）所示。渐张开槽天线单元由介质和刻蚀在其双表面的鳍状开槽金属组成，在两层介质的中间是馈线，双极化阵列互相垂直的单元交叠部分为方形金属柱。如果去掉所有x方向或者y方向的单元，则为单极化天线阵列。

图1 （a）开槽天线单元及加金属过孔单元示意图

（b）双极化阵列示意图

在大角度扫描时，单极化和双极化阵列单元都会由于谐振出现驻波畸点。本文研究了单极化和双极化天线阵中单元驻波畸点形成原因，并提出了抑制谐振、消除驻波畸点的方法。

2 谐振研究

双极化阵列的谐振由介质组成的方形腔体造成。计算此立方体谐振腔的谐振频率时，把立方体前表面（位于天线阵表面）假设为理想磁导体，其他五个面为理想电导体，介质中微带线和扇形馈电末端忽略不记。

仿真得到双极化阵列单元分别在不扫描、E面45°和H面45°扫描时的驻波曲线（如图3）。从图中可得，在H面45°扫描时会出现驻波畸点，分别发生在3.88GHz、4.83GHz、4.92GHz、5.71GHz和6.02GHz。扫描角度改变为30°时，5.71GHz处的驻波消失，但在3.91GHz、4.82GHz、5.02GHz和5.99GHz（分别非常接近于3.88GHz、4.83GHz、4.92GHz和6.02GHz）驻波仍然出现。这表明，这些谐振并不依赖于阵列相位。

因为介质与方形腔体之间有大片金属的存在，介质区域可以构成谐振腔结构，所以以上没有消失的驻波畸点很可能是由单元内介质区域造成的。对于介质区域，因为其体积比腔体小得多，所以不能简单的把鳍状金属看作理想方形电导体。而且介质中存在馈电微带线和扇形馈电末端，也不能忽略它们的电流。但是，可以把介质区域看作一个谐振腔，因为它除了前开口端（天线阵表面）外，其他的面大部分是金属。只是由于其结构复杂，很难用数值方法计算其谐振频率。

图2 双极化阵列单元三种情况下的驻波。不扫描
（BS），E面45度E45）和H面度（H45）

图3 双极化阵列单元H面30度的驻波

图4 加金属过孔与未加金属过孔单极化阵列单元在H面45度
扫描的驻波。L1未加金属过孔，L2加金属过孔

图5 加金属过孔双极化阵列单元三种情况下的驻波。
不扫描（BS），E面45度（E45）和H面45度（H45）

减小谐振腔有效尺寸，可以提高谐振频率。为了验证上述驻波畸点是否是由介质内部区域谐振造成，在单极化单元上，按照其轮廓线加金属过孔（如图1（a）下）。

加金属过孔的单极化阵列单元消除了3.57GHz和4.56GHz处的驻波畸点（如图4）。因为金属过孔只存在于介质中，而且金属过孔与腔体之间存在鳍状开槽线金属，所以金属过孔不会对方形腔体的谐振造成影响。金属过孔缩小了介质单元内部谐振的有效尺寸，消除了原先存在于中频段的畸点。

3 双极化阵列驻波畸点的消除

把上述加金属过孔的天线单元应用于双极化阵列中，计算仿真得到双极化阵列单元分别在不扫描、E面45°和H面45°扫描时的驻波曲线（如图5）。从图中可以看出，加金属过孔的双极化阵列单元消除了3.88GHz、4.83GHz、4.92GHz和6.02GHz附近的驻波畸点。 E面和H面在5.9GHz附近仍存在驻波，这与未加金属过孔的45°、30°扫描时驻波位置很相近。说明金属过孔不影响方形腔体谐振。上述单元金属过孔的间距是6GHz时介质中波长的七分之一。当继续减小金属过孔间距，增加过孔数量，驻波明显变化。当增大过孔间距，谐振频率会从高于6GHz移到低于6GHz。

4 结论

开槽天线阵列单元谐振的形成区域有两个，即单元间形成的腔体和单元内部介质区域。通过在单元上加入金属过孔，消除了介质区域造成的谐振。通过大量计算仿真，发现在一个波长（指介质中的波长）内至少有七个过孔是必要的。少于此数目，不能有效的消除谐振；多于此数目，驻波变化不大。微带馈电线的电流分布在其边缘，所以在馈电线边缘加上金属过孔有利于消除馈电线电流与介质区域谐振之间的冲突。