引言
在未来的海军平台设计中，多功能系统的概念正逐渐成为一种创新趋势。这种设计理念的核心在于将多种关键子系统，如通信、电子战、全球定位系统等，集成到一个统一的天线孔径中。这种集成不仅节省了宝贵的舰船空间，还有助于降低整体成本，并减少雷达散射截面积，从而提高平台的隐身性能。这一概念的实现，需要在单一或少数几个超宽带相控阵中整合大量的天线，这些相控阵必须能够同时支持多种系统独立扫描波束的需求。然而，实现这一目标面临着重大挑战，其中之一便是缺乏能够满足高性能要求的低成本超宽带天线阵列。
当前较为流行的超宽带天线阵列几乎都是锥形槽天线（Vivaldi）阵列及其众多衍生形式，多年来，许多高校团队、科研机构均对锥形槽天线进行了广泛的研究，在此基础上设计了多种形式的此类天线阵列，因此，锥形槽天线的电磁特性基本已被充分了解。尽管锥形槽天线阵列广受欢迎，但在双极化阵列中使用时，会存在一些制造和维护方面的问题：1、研究表明，在此类阵列中，保持相邻正交极化元件之间良好的电连接非常重要，然而实现起来非常困难，需要在双极化天线单元间进行焊接，然而在设计用于高频操作、元素间距较小的阵列时，这种做法是不切实际的，即便成功连接了相邻的元件，阵列也可能成为一个整体，这会妨碍或至少使维护变得复杂。2、将锥形槽元件连接到馈电网络或背后的TR模块较为困难，需要单独的金属工装进行转接。3、天线单元的介质部分在扫描时会存在破坏性的电磁谐振现象，但可以通过在锥形槽中增加短路过孔来消除这些谐振。
天线单元设计
本文设计了一种‘子弹’形的超宽带天线阵列， 天线单元由金属铝加工而成，呈‘子弹’形，通过在底部开螺纹与金属地板相固定，天线结构简单，可以通过机加工的方法直接实现，且阵元间无需进行电连接，天线高度为45mm，工作频率为2.5-10GHz，极化形式为双线极化。
为了分析天线阵元在阵列中工作的性能，在仿真软件中设置周期性边界条件，来模拟无限大阵列中的天线阵元的电性能。设置周期性边界能够充分考虑阵元间的互耦特性，从而更准确地反映出天线的整体性能。天线仿真模型如下图所示。
天线阵元仿真结果如下图所示，法向有源驻波≤1.65，沿H面(phi=0°)扫描45°以内天线有源驻波≤3.74，沿D面(phi=45°)扫描45°以内天线有源驻波≤2.67，沿E面(phi=90°)扫描45°以内天线有源驻波≤2.04，天线在周期边界下单元增益为[email protected]、4.8dBi@10GHz，随着进一步缩小天线的尺寸，天线的带宽可以向高频拓展。
天线阵列设计
双极化天线阵列模型见下图所示，天线阵列共256(16×16)个阵元，呈方形网格排布，阵元间距为15mm（0.5倍高频点波长），满足60度扫描角不出现栅瓣的要求。
天线阵列方向图仿真参数如下图表所示，副瓣抑制度可以通过后端TR组件进行幅度加权或者阵面轮廓加权进行优化，在对角线切面（phi=45°）扫描60°时，增益滚降过大，这是由于天线在该切面扫描时交叉极化恶化导致的。
PS：最近发现用CSDN写东西很麻烦，所以从今天开始会同步在公众号上写点东西，主要是针对阵列天线、相控阵天线和一些超宽带无源网络的设计的，公众号如下，希望大家可以多多交流~
