于长龙;李军
【摘 要】传统的超宽带天线体积大、重量沉、成本高、需要复杂的巴伦,为了设计一种2 ～7 GHz的低剖面低成本的超宽带侦察天线阵列,文中采用新型的榕树天线形式,对无限大的榕树天线阵列进行仿真优化.阵元采用SMA接头馈电,通过调整阵元尺寸,无限大榕树天线阵列工作带宽达到1.7～7.3 GHz.构造一个8×8有限大阵列,对最内部两层阵元馈电,增益的方向性相对单天线增强较多.仿真结果证明,榕树天线阵列可以实现2～7 GHz的超宽带,并且剖面高度只有最大波长的1/2,适合制作超宽带侦察天线阵列.
【期刊名称】《电子科技》
【年(卷),期】2017(030)004
【总页数】6页(P22-26,31)国电物资商务网
【关键词】超宽带天线;榕树天线;共模谐振;不平衡馈电锥削偶极子阵元;榕树天线阵列
【作 者】于长龙;李军
【作者单位】中国空间技术研究院西安分院神州学院,陕西西安710100;中国空间技术研究院西安分院神州学院,陕西西安710100
【正文语种】中 文
【中图分类】TN822+.8
为了满足工程需要，需要设计一种2～7 GHz的低剖面低成本的超宽带侦察天线阵列，由于是超宽带，难以采用像微带天线这种纯平面结构。传统的超宽带天线大多采用TEM喇叭天线、阿基米德螺旋天线、对数周期天线、双脊椎喇叭天线等形式，这些天线形式宽带性能很好，但体积大、重量沉、需要设计复杂的馈电巴伦、加工成本高[1]。
锥削缝隙天线，特别是Vivaldi天线[2]，电流按不同路径分布，可实现多个谐振频点，从而实现多倍频程的超宽带，然而天线剖面高度通常在半个最大工作波长以上，影响了天线阵的组装[3-5]。兔耳朵天线、榕树天线是在锥削缝隙天线基础上改进而来，可以做成准平面结构，剖面低到1/2波长，组阵性能相对锥削缝隙天线更优，但兔耳朵需要设计复杂的馈电
巴伦[6]，榕树天线进一步改进使得馈电形式简单，不需要设计巴伦。因此决定采用榕树天线的形式[7-8]。
榕树天线是一种新型的天线形式，国外对榕树天线的原理进行了研究，但并没有实现工程应用，如何将榕树天线实现工程应用是现在的研究热点。本论文对榕树天线结构进行改进，采用通用的SMA接头馈电，来实现超宽带低剖面榕树天线阵列[9]。
1.1 阵元的选择
榕树天线是基于非传统的不平衡馈线给平衡辐射体馈电的方式。不平衡馈线给平衡辐射体馈电，馈线上的净电流没有抵消，耦合到阵列中的某一谐振长度上，导致对应的谐振频率的输入电阻为零，对应的频带发生全反射，严重影响了天线的宽带性能，将这种谐振称为共模谐振。拓扑结构是共模谐振产生的最主要因素，首先按照阵元拓扑结构对阵列进行分类，如图1所示[10]。
第一类，单个阵元只有一个辐射体，因此不存在共模问题[11]。第二类，由两个独立的辐射体构成，其中一个导体由不平衡馈源馈电使得其不接地，另一导体接地。当两导体上电压
V1=V2，工频带中就产生了共模谐振；第三类，由两个单独激励的导体和一个接地板共3个辐射体构成。这一类的辐射体由巴伦馈电，通过强加差模电流抑制共模电流来除去共模谐振。巴伦使得导体1和导体2电压不等。
三类拓扑结构中，第二类最有前景通过简单制造装配形成低剖面低成本的超宽带天线阵。第一类渐变槽剖面高。第三类需要体积大损耗大的宽带巴伦。第二类不存在这些缺点，只需要将共模谐振移出。
1.2 共模谐振抑制
差模电流用Id(f)表示，共模电流用Icm(f)表示，总的混合模式电流可以写成企业网络营销策略
远离谐振点处，总的电流主要是差模的，在谐振点处共模电流起主导作用。对于阵列的驻波比在共模谐振频率处会有一个严重的尖刺，在此处全部的能量反射回馈源。相邻阵元之间的半波长，不论E、H、D面都会导致谐振。
D面间距LD对应的谐振模式对可能的共模谐振起了主要作用，因为LD长于E面H面阵元间距Dx、Dy，谐振频率低于栅瓣起始频率。D面共模谐振频率的公式为
不锈钢锻件标准εr,eff为有效相对介电常数避免共模谐振需要采取昂贵的方式，如外部宽带巴伦的设计，榕树天线是一种巧妙低成本方案，通过对前面不平衡馈电的单极化二维锥削偶极子阵元拓扑结构的简单修改使得共模谐振在宽频带上移除。共模抑制方式就是在锥削偶极子阵元的展开臂上放置短路带，由于短路带的作用高频处的共模被移除。
BTA阵元的拓扑结构的主要几何参数如图2所示[12]。垂直的短路带将辐射鳍线与接地板连接，是控制共模谐振频率的关键，这些短路带类似于榕树的根系，因此得名榕树天线。一个单独的金属层嵌入两个相同厚度的电介质基板中间，一个单独的阵元由两个指数渐变鳍线构成，内外的渐变曲率分别是Ri和Ro垂直起始自接地板。
垂直馈线由一对印刷带线构成，形成长度为S的不平衡馈线，一条接接地板，另一条直接由不平衡传输线馈电。因此，BTA直接与不平衡馈电网络传输线或者接地板下的收发(T/R)组件相连，而不需要外接巴伦或电桥。
调整阵元的拓扑结构，可以有效改变谐振长度LD，从而将共模激励移到工频带外。拓扑结构的改变就是在偶极子鳍线和接地板之间加入短路带，使得短路带位置处垂直方向上电场为零。BTA短路带减小了谐振场的谐振长度，从而使得谐振频率上移，最终移出工频带。B艾柯卡自传
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TA阵列单元俯视图如图2所示，可看出短路带的位置。
对角线长度LD由于短路带加入而变短，共模谐振频率的估算公式为
其中，df，dg分别是阵元中心和馈电鳍线、接地鳍线上短路带的距离。由公式可以得出结论，引起驻波比严重恶化的共模谐振频率随着df和dg的差距增大而增大，因此df和dg即两个短路带离中心间距必须是不相等的并且要有一定的差距。辐射鳍线印刷在厚度为T=1 mm，εr=2.2的Rogers 5880介质基板上。
2.1 阵元建模
根据上述理论，对榕树天线BTA阵列进行建模，HFSS仿真和优化。首先建立单个榕树天线单元的模型。初步优化的几何参数如表1所示。
其中，Dx是x轴方向单元间距；Dy是y轴方向单元间距；F是两辐射臂总展开宽度，T是两层介质板各自厚度；dg，df分别是左右短路带离单元中轴的间距；δg，δf 分别是左右短路带各自的宽度；H是辐射臂总的高度；S是辐射臂垂直馈线部分的高度；Wf，Wg是辐射臂垂直馈线部分的宽度；G是两辐射臂垂直馈线的间距；Ri和Ro是辐射臂鳍线内外的渐变曲
率；τ是鳍线内部渐变较外部渐变起始高度差。两层介质板是为了使得天线几何结构对称从而使方向图更加对称并且起到固定作用。
其中Dx约为最小波长的1/2，Dy<最小波长的1/2，F略<Dx，主要针对左右短路带离单元中轴的间距dg，df进行优化，另外根据实际设计需求，需要上层介质板与地板有一定间距，右边辐射臂垂直馈线与接地板有一定间距，这些都需要进行优化设计。指数曲线公式[13]为
右边辐射臂内部渐变曲线，根据几何参数得到起始点，终止点坐标，曲率为0.1，代入公式，得到C1、C2，进而得到右边辐射臂内部渐变曲线，沿中轴线做镜像得到左边辐射臂内部渐变曲线。同理，左边辐射臂外部渐变曲线，根据几何参数得到起始点，终止点坐标，曲率为-0.7，代入公式，得到C1、C2，进而得到左边辐射臂外部渐变曲线，沿中轴线做镜像得到右边辐射臂外部渐变曲线。[14]
榕树天线辐射臂与短路带的几何形状在HFSS中建模，使用理想导体。使辐射臂与短路带夹在两层相同厚度介质板之间，介质板材料使用Rogers 5880，厚度为T=1 mm，εr=2.2。同轴线特性阻抗公式
Z0=50 Ω，代入d=0.5 mm，得到外导体直径D=1.151 mm，同轴线长度取3 mm，为有效馈电，探针长度取4 mm，如图所示。理想导体接地板按照单元周期长宽来设置。使用域设置边界条件，模拟无限大周期阵列，如图3所示。[15]
2.2 阵元优化
接下来对dg，df的取值进行优化，dg必须>df，并且两者需要有一个较大的间距，首先固定dg=6 mm，添加df扫参数3 mm，4 mm，5 mm，仿真得到不同df对应的驻波比曲线，如图4，发现df约为4 mm性能较好。
根据上述结果，固定df=4 mm，添加dg扫参数5.5 mm，6 mm，6.5 mm，7 mm，仿真得到不同dg对应的驻波比曲线，如图4所示，发现dg约为6 mm性能较好。
根据dg，df各自单独参数扫描的结果，并考虑到dg需要相比df大一定值，取df=3.7 mm，4.2 mm，取dg=6.1 mm，6.4 mm，总共添加4对参数扫描，仿真得到不同dg，df对应的驻波比曲线如图4所示，发现dg=6.4 mm，df=3.7 mm时性能最好。因此确定dg=6.4 mm，df=3.7 mm。
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