摘要：规划了一种新式的掩盖X波段的宽带圆极化2×2天线阵，具有高增益、低副瓣和杰出的圆极化功能。该阵列以Vivaldi天线为根本单元，选用旋转对称的十字形结构，四端口等幅馈电且相位依次为0°，90°，180°和270°。此天线阵在整个X波段内阻抗匹配杰出，轴比均低于3 dB选用矩形栅门和底部扼流环结构将天线地板上的外表电流会集在槽线邻近并下降后向辐射，然后取得低副瓣和高增益。频段内的峰值增益为10.7 dB，前后比大于20 dB。两个主平面的方向图对称性杰出且根本重合。各天线单元间的低耦合使得天线阵的穿插极化很低。什物测验成果与仿真成果根本符合。
跟着现代电磁学的开展，高功能圆极化天线的运用更加广泛。圆极化天线具有旋向正交性，可与多种极化天线合作作业，且圆极化波入射到对称方针时旋向反转。以上这些优势使得圆极化天线具有较强的抗搅扰功能，在电子侦查与搅扰、通讯和雷达的极化分集作业、移动通讯与GPS等按捺雨雾搅扰和抗多径反射中得到了广泛运用。因此，近年来对圆极化天线的研讨越来越广泛，可是高增益低副瓣的宽带圆极化天线比较罕见。
Vivaldi天线具有高增益、宽频带、质量轻和易加工制造等长处，在通讯体系中有着越来越广泛的运用;运用文献的次序旋转布阵办法可使用线极化单元组成圆极化阵列，且阵列天线较之单个天线来说，具有更高的增益。因此，本文以Vivaldi天线为单元，规划了一种2×2的小型旋转对称圆极化阵列，在整个X波段圆极化功能杰出，轴比低于3 dB且方向图对称性杰出。为了进一步进步增益下降副瓣，本文经过在天线单元上增加矩形栅门和在阵列底部运用扼流环结构的办法，到达了10.7 dB的峰值增益和高于20 dB的前后比。比较于文献，该阵列方向图的对称性大大进步，增益前后比进步了5 dB以上，穿插极化隔离度也显着改善。
1 天线单元规划
Vivaldi天线是一种宽频带、高增益的行波缝隙天线，1979年由Gibson提出。Vivaldi天线有多种馈电方式，本文选用微带线到槽线的耦合馈电结构，结构如图1(a)所示。
Vivaldi天线的馈电巴伦选用微带线到槽线的穿插耦合结构，能量从馈电的微带线耦合到槽线的矩形部分，从穿插部分看进去，微带线的扇形枝节起短路效果，槽线结尾的圆形腔起开路效果，挑选恰当的尺度能够在很宽的频带内到达阻抗匹配。微带线最细部分与矩形槽线特性阻抗相匹配，经由切比雪夫阻抗改换器改换至50 Ω与同轴线相接。辐射槽线选用指数曲线，表达式为
R为指数函数的突变因子，决议天线的波束宽度。不同的作业频点对应相应的缝宽，槽线最宽处和最窄处置别对应最低和最高作业频率的，因此能够依据槽线起点(X1，Y1)和结尾(X2，Y2)的坐标和选定的R值来确认确认公式(1)中的C1和C2的值：
槽线两头的矩形栅门用来遏止电流回流，让外表电流会集在槽线邻近，矩形栅门的不同长度对应不同频率的λ/4，然后在宽频带内下降副瓣进步增益。栅门对天线增益的影响如图1(b)所示，可见，在整个X波段，栅门有用进步了天线增益。
本文所规划的天线选用厚度为0.787 mm的Rogers 5880介质基板，相对介电常数2.2，天线单元的各参数如图1(a)所示。依据阵列天线理论，相邻两阵元间隔不宜过大，因此，天线单元两头不完全对称是为了在组阵时拉近相邻阵元相位中心的间隔。
2 圆极化天线阵规划
文献供给了一种用线极化单元组成圆极化阵列的次序旋转布阵法，本文选用这种办法，使用线极化的Vivaldi天线发生圆极化波。4片Vivaldi天线单元组成十字形旋转对称结构，4个端口相位依次为0°、90°、180°、270°，同一平面上的两片天线相位中心相距15 mm(10 GHz处的半波长)，结构如图2(a)所示。一个圆极化波能够分解为两个在空间上和在时刻上均正交的等幅线极化波。由此，完成圆极化的根本原理便是：发生两个空间上正交的线极化电场重量，并使二者振幅持平，相位相差90°。各天线单元旋转正交放置，是为了发生两个正交极化的波，不同的馈电相位则是为了满意圆极化波所需的相位推迟。馈电网络由购买的超宽带反相器和90°移相器组成，原理如图2(b)所示。
在天线阵的底部，增加了一个高度10 mm，半径25 mm的一端开口的扼流环，与文献中的背腔结构相似，既能起到反射板的效果，又是一个谐振结构，把能量约束在腔体里，下降后向辐射，然后下降副瓣，由图2(c)能够看出，此结构使天线阵的副瓣下降了6 dB以上。
文中选用电磁仿真软件HFSS13.0对天线进行仿真并依据仿真模型制造了天线什物，如图2(d)所示，馈电网络的4个输出端口与天线的4个馈电端口分别用四根等相位的同轴线相连。
3 仿真与实测成果剖析
反射系数、轴比和增益的仿真与测验成果比照如图3所示，可见，在整个X波段，4个端口反射系数均小于-10 dB且轴比低于3 dB，仿真增益在8.5 dB和10.7 dB之间，测验增益略低于仿真成果。反射系数差错主要是由加工差错构成，而轴比和增益差错则主要是由馈电网络的损耗和相位差错及测验差错引起的。
曲线上有一些不滑润的点，在这些点处谐振Q值很高，但轴比和增益功能恶化，这是因为天线阵中心的空地和槽线周围的矩形栅门引起了寄生谐振，有待进一步改善。
8GHz和12GHz处方向图的仿真与测验成果如图4所示，两个正交主平面的方向图根本重合且对称性很好。半功率波瓣宽度的仿真值约为50°，测验值约为30°～40°。整个频段内的增益前后比高于20 dB。
10 GHz处主平面的轴比和穿插极化随扫描角的改变如图5所示。因为测验条件约束，这儿只给出了穿插极化的仿真成果。由图能够看出，在±20°扫描角规模内，该频点处的轴比低于3 dB且穿插极化比高于15 dB。因为各天线单元的方位彼此正交，单元问互耦远低于传统天线阵，因此这种阵列在主平面上的扫描角规模要宽于传统阵列。
4 定论
文中规划了一种四端口正交馈电的十字形Vivaldi小型阵列，经过发生两个空间和时刻上正交的等幅线极化电场重量，构成圆极化波。在整个X波段内，圆极化功能抱负且增益高、副瓣低，具有较宽的扫描角。因为以上长处，此天线阵在无线通讯中有着广泛的运用远景。
