电光与控制Electronics Optics&Control Vol.28No.5 May2021
第28卷第5期
2021年5月
引用格式：刘昂，李淑华，李宝鹏，等•一种X波段正交极化偶极子天线阵设计[J].电光与控制,2021,28(5)：85-88.UU A,U S H,LI B P,et al. Design of an X-band orthogonal polarized dipole antenna array[J].Electronics Optics&Control,2021,28(5)：85-88. 刘昂，李淑华，李宝鹏，高伟亮，张凯旋
(海军航空大学青岛校区，山东青岛266041)
摘要：为解决X波段机载雷达变极化速度较慢的问题，设计了一种可实现脉间变极化的偶极子天线阵。该天线阵采用正交排列薄片电偶极子阵元，并加装垂直贴片和反射板，通过同轴线耦合巴伦进行馈电。利用改造后的阵元组成了一个4x4的16元矩形栅格、矩形边界均匀平面正交极化天线阵，利用射频开关控制馈电线路实现快速变极化，通过高频结构仿真(HFSS)软件对其进行参数优化和建模仿真，结果显示，
该天线阵具有较低的驻波比和副瓣电平以及较高的天线增益，可以作为机载正交极化相控阵雷达天线的参考设计，或用作正交极化阵列天线的子阵。
关键词：机载雷达；天线阵列；X波段；偶极子天线；正交极化
中图分类号：V243.2文献标志码：A dot：10.3969/j.issn.1671-637X.2021.05.019
Design of an X-band Orthogonal Polarized
Dipole Antenna Array
LIU Ang,LI Shuhua,LI Baopeng,GAO Weiliang,ZHANG Kaixuan
(Qingdao Branch of Naval Aeronautical University,Qingdao266041,China) Abstract:In order to solve the problem of slow polarization changing of airborne radar,a dipole antenna array is designed,which can change the polarization between pulses.The antenna array uses orthogonal slice electric dipole array unit,vertical strips and reflection board,for realizing feed through coaxial coupling Balun.Then,a4x4rectangular-grid rectangular-boundary uniform plane orthogonal polarized antenna array is formed by using the improved elements,and fast polarization changing is realized by RF-MEMS switch・Then,HFSS software is used for parameter optimization and modeling simulation.Th
e results show that,the antenna array has low standing-wave ratio,low sidelobe level,and high gain,which can be used as a reference design for the antenna of the orthogonal polarization phased array radar or as a subarray of the orthogonal polarization array antenna・
Key words:airborne radar；antenna array；X-band；dipole antenna；orthogonal polarization
0引言
具有正交极化电磁波辐射和极化信息鉴别能力的相控阵雷达系统逐渐成为先进雷达技术发展的重要方向之一⑴，正交极化天线是其中的重要组成部分。21世纪初，正交极化天线和变极化技术开始受到重视⑵，该技术常见于机载抛物面天线，通过极化电机转动馈源，在2~5s内完成正交线极化转换操作，转换速度慢，且无法实现脉间变极化，变极化时间段内雷达不能工作，难以适应复杂的电磁战场环境。 若雷达系统能够实现脉间快速变极化，对应的信
收稿日期=2020-04-28修回日期=2021-01-27
作者简介：刘昂(1992-)，男，山东济宁人，硕士生，研究方向为军用天线与电磁兼容技术。号处理模块可根据目标的极化散射信息，提高目标的检测鉴别概率和雷达系统的信噪比⑶o针对快速变极化的
需求，以正交电偶极子的结构原理，设计仿真了一种X波段正交极化电偶极子天线阵元，使用该阵元组合成一个4x4的16元矩形均匀平面阵。经高频结构仿真(HFSS)软件对天线阵进行参数优化和建模仿真，结果表明：该天线阵在工作频带内回波损耗小于-10 dB冲心频率处小于-20dB，优于文献［4］的微带天线设计；驻波比小于1.75，中心频率处最小驻波比为1.04，优于文献⑸的印刷偶极子设计和文献⑹的Vivaldi天线设计；组成阵列后，天线最大增益大于17dB，副瓣电平小于4.3dB o该天线阵兼具良好的电性能与脉间变极化功能，能够作为相控阵天线的子阵，应用于正交极化相控阵雷达系统中。
86电光与控制第28卷
1阵元设计方案
通用圆柱形电偶极子天线波束均匀、宽带性能较好，但是回波损耗较高、可优化的潜力不足。切薄片形电偶极子在印制偶极子天线的基础上改进而来，优化潜力大，有更低的回波阻抗，可以通过加装反射板或反射腔的方式实现单向辐射。
正交极化电偶极子阵元的结构如图1所示，该阵元由2组偶极子、馈线、垂直贴片和底板组成，馈线、偶极子片和底板厚度为0.1nun，均采用铜质材料。阵元中2组偶极子由同轴线连接平衡器(巴伦)的形式馈电，能够实现阻抗匹配、保证馈电平衡，同时还能增大功率容量，扩展带宽。偶极子中部间距相同、中心对称，保证天线方向图的对偶性。6.3mm，极化二馈线咼度兄=6mm，馈线弯折部分长度
=2.9mm，极化一偶极子长度厶=4.58mm，极化二偶极子长度£2=4.57mm，馈线中段长度£3=4.15nun，偶极子间距厶4=4.55mm，偶极子宽度=1.9mm，馈线宽度W2=0.7mm0
根据图2可知，为保证足够的馈电空间，偶极子间距较大，单组偶极子总长度为13.71mm，略低于半波长15mm，符合工程实际。为降低回波损耗,2组馈线高度差较小，导致端口隔离度有所降低。图3所示为参数优化阵元的回波损耗、端口隔离度及方向。
-10.3-10.2-10.110.010.110.210.3
频率/GHz
(a)回波损耗
0°
频率/GHz
(b)端口隔离度
10°
图1电偶极子结构图
Fig.1Electric dipole structure
使用HFSS软件对阵元进行建模和参数优化。优化后的结构如图2所示。
72X)0崔入
{^-S.OOdB
■90l{Y S Q
-60>
-120\?120：-150^^^—^—^150°
-180°
(c)平面方向图(极化一)
(a)主视图
图3阵元电性能参数仿真结果
Fig.3Simulation results of array electrical
performance parameters
图3对阵元性能反映比较直观，天线在中心频率10GHz上达到谐振，此时两组偶极子的回波损耗S“, S22均小于-30dB，端口隔离度小于-20dB，驻波比最小为1.04。以平行于力轴的偶极子作为研究对象，平行于电场的xoz面为天线方向图E面，平行于磁场的yoz面为天线方向图H面。极坐标图中直径坐标值为增益值，最大增益在直射方向上为6.87dB o该结构能够有效抑制回波损耗,2组偶极子的对偶性较好。
-3尖
£
)y】
(b)俯视图
图2阵元几何结构图
Fig.2Geometric structure graph of array element
阵元的尺寸为：偶极子高度和极化一馈线高度z=2天线阵设计
2.1阵元耦合分析
在阵列天线中，由于电磁波的干涉和叠加效应，阵元的间距会对波束的扫描和电性能参数产生限制，带来的互耦效应直接影响天线的性能⑶，将会使天线增益下降、方向图畸变、端口隔离度下降切。天线阵在设计时必须将阵元互耦的因素考虑在内，
解决互耦不良
第5期刘昂等：一种X波段正交极化偶极子天线阵设计87
影响的方法有很多种，最简单的方法是对阵元间距进
行优化，另外还有采用算法进行互耦补偿和改进天线
结构等方法。
以二元线阵为例，将两阵元的间距作为变量进行扫
描，分析随之变化的回波损耗、端口隔离度和增益，出
最大端口隔离度、最小回波损耗和最大增益所对应的间
距大小，应用于天线阵，其变化曲线如图4所示。
4/mm (a)回波损耗m
v 耦
袈
泌
、
9
9
图4二元阵电性能参数随间距变化曲线Fig.4The electric performance parameters of binary
antenna array vs the spacing
从图4中看出，电性能参数随阵元间距缶的变化有明显的变化趋势，也呈现一定的不稳定性。当人的取值在18~20mm，即0.6A-0.67A之间时，阵元回波损耗受互耦效应的影响最小，增益已达到峰值，选择A=18mm，二元阵方向图主瓣宽度和副瓣电平都达到了最小值。
2.2天线阵结构
常规平面阵的基本类型按照栅格形式和边界形式来划分⑷，矩形栅格矩形边界平面阵是比较基础的一种何，在对该型天线阵进行分析时，可以按阵元的激励形式将其拆分为若干组线阵，以便获取阵因子方向图函数进行阵列的分析购。这一阵列形式也常用于机载雷达天线g，因此选取该结构作为天线阵的设计方案。
图5所示为阵元组成的阵列在HFSS当中整体的仿真结构，阵列为4x4矩形栅格矩形边界阵，阵元间距为18mm，接地板尺寸为69mm x69mm0
图5天线阵面结构
Fig.5Antenna array surface structure
在天线阵中，共存在2种极化32个端口，相同极化的馈电端口由一个馈电网络连接，对每组2个端口采取分时等幅同相的馈电方式。整个天线阵系统的结构如图6所示。
图6天线阵系统结构
Fig.6System structure of antenna array
由T/R组件发射的高频信号经射频(RF-MEMS)开关⑴、功分器、馈电网络和移相器，送入天线。发射垂直极化脉冲时，打开对应线路射频开关，关闭水平极化线路射频开关，发射水平极化脉冲则相反，接收时，打开两路射频开关。射频开关的状态转换时间极短(<30Jis)，能够在前一发射波的驻留期间内完成馈电线路的通断，实现脉间快速变极化。整个天线阵系统结构简单，易于加工，损耗较低。
3仿真结果分析
基于以上设计，对天线阵进行建模分析，得到2种天线阵方向图，如图7所示，若以z轴为电磁波传播的正方向严轴与地面垂直，极化一沿y轴方向为水平极化，极化二沿X轴方向为垂直极化。直径的坐标为天线阵的增益值。
⑹极化二
图7天线阵辐射方向图
Fig.7Antenna array radiation pattern
由图7可知，天线阵最大增益为17.1dB,
前后比
88电光与控制第28卷
为33dB，因阵元数量限制，主瓣宽度为14。，第一副瓣大小为4.2dB。水平极化和垂直极化的方向图相似，可见天线阵具有较好的对偶性。
对天线阵的极化一(水平极化)部分进行分析，使力轴方向的馈电点依次产生相移，改变天线阵的射角，使射角沿z轴向力轴方向分别偏移15。和30。，观察方向图的变化，方向图如图8所示。
图8水平极化天线阵方向图
Fig.8Horizontal polarization antenna array
物联网电池radiation pattern
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由图8可以看出，当射角在30。以内时，天线的增益在16dB以上，波束宽度为14。；第一副瓣不大于5 dB，出现在距离射角30。的方向处；当射角大于30。时，方向图开始产生畸变，天线阵的性能下降，由此可知天线阵的覆盖角度约为±30。。
ir测试
分析图7、图8可知，在天线口径十分有限的情况下，该小型天线阵的增益较高，能够覆盖照射方向士30。以上的射角，方向图稳定，前后比较高，具有较大的结构优化潜力。
4结束语
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针对机载雷达x波段正交极化阵列天线子阵的设计需求，设计了以正交排列的偶极子为阵元的4x4矩形均匀天线阵。经建模分析和参数优化，分析结果可知，阵元驻波比最小为1.04，端口隔离度达到-23.8 dB，天线阵最大增益为17.1dB，前后比大于30dB,2组极化天线阵的方向图具有较好的一致性，整体尺寸为69mm x69mm x6.3mm。该天线阵适用于工作频带(10±0.3)GHz、脉冲重复周期不小于30眩、子阵扫描角不大于60。、子阵功率不大于16W的雷达阵列天线。相较机械变极化天线而言，天线阵体积较小、结构简单、制作方便，能够在一个脉冲周期内完成极化的变化，以此为子阵能够制造机载雷达天线阵列，对大规模正交极化天线阵的设计制作具有一定的参考意义及一定的工程实用价值。
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