一種雙扼流槽雙極化低旁瓣陣列天線

宋長宏 吳 群 張文靜 路志勇

（1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)電子信息工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001；2.中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081）

引 言

微波通信系統(tǒng)要求天線具有雙極化、低副瓣、高隔離度、寬波束等指標(biāo)特性.傳統(tǒng)的雙極化天線多采用反射面天線和陣列天線兩種形式:反射面天線多應(yīng)用于高增益、窄波束的場合；雙極化陣列天線主要有波導(dǎo)和微帶兩種形式，波導(dǎo)天線一般采用分口徑形式，口徑利用率較低，而微帶天線雖然可以全口徑利用，但天線輻射效率低、饋線損耗大、極化純度不高、一般極化隔離度為-20dB左右［1］，且隨著頻率的升高，網(wǎng)絡(luò)饋線間的互耦、寄生輻射、色散特性越來越嚴(yán)重，從而使設(shè)計(jì)難度加大［2］.

文中提出一種利用角錐喇叭作為輻射單元共口徑輻射的雙極化平板陣列天線，天線單元間緊密排放，可大大提高天線的有效輻射面積，同時(shí)角錐喇叭具有高定向性和高極化純度.天線陣列采用饋電網(wǎng)絡(luò)與輻射單元一體化設(shè)計(jì)，利用數(shù)控加工，天線結(jié)構(gòu)緊湊、加工精度高、易裝配.饋電網(wǎng)絡(luò)采用空氣同軸線結(jié)構(gòu)，具有損耗低、屏蔽效果好的特點(diǎn).

天線方位面（兩單元面）采用加載雙扼流槽的辦法實(shí)現(xiàn)了方向圖旁瓣電平小于-16dB，-3dB波束寬度大于21°，滿足系統(tǒng)對(duì)方位面寬波束低副瓣輻射的特殊要求，天線陣列俯仰面采用加權(quán)饋電，實(shí)現(xiàn)-16dB的旁瓣電平.

圖1 單元結(jié)構(gòu)

1 單元設(shè)計(jì)

天線單元結(jié)構(gòu)如圖1所示，天線由上到下三層結(jié)構(gòu)，分別是輻射層、饋電層、背腔層.輻射層角錐喇叭陣列結(jié)構(gòu)，根據(jù)天線陣列俯仰、方位面波束寬度的要求確定喇叭口徑尺寸a=24mm，b=32mm，喇叭過渡高度h6=25mm.饋電層實(shí)現(xiàn)單元饋電和功率合成，采用探針激勵(lì)方式，同軸內(nèi)導(dǎo)體采用厚度為0.127mm、介電常數(shù)為2.2、損耗正切為0.0009的介質(zhì)板來實(shí)現(xiàn)，印制電路板（Printed Circuit Board，PCB）加工工藝可以保證較高精度，較薄的介質(zhì)材料可使同軸線近似于空氣同軸線，這樣大大降低了饋線的介質(zhì)損耗.兩極化饋電探針分別在上下兩層，實(shí)現(xiàn)正交雙線極化饋電，通過調(diào)節(jié)線寬和調(diào)配圓盤的尺寸，可使同軸線與喇叭實(shí)現(xiàn)良好的匹配.由于上層探針對(duì)下層探針的影響，使下層極化端口的駐波惡化，可通過調(diào)節(jié)背腔內(nèi)匹配塊的高度h4，使其達(dá)到理想的匹配，仿真優(yōu)化得到匹配塊高h(yuǎn)4=6mm.

根據(jù)天線工作中心頻率9.5GHz，確定方波導(dǎo)寬w=18mm，背腔高度h2=22mm，喇叭總高度h1=50mm，兩極化饋電縱向距離h5=3.5mm，同軸外導(dǎo)體高4.6mm，寬2.8mm，同軸內(nèi)導(dǎo)體的線寬為0.5mm，調(diào)配圓盤半徑r=1.7mm.確定單元尺寸后，利用電磁場仿真軟件（High Frequency Structure Simulator，HFSS）對(duì)天線單元進(jìn)行全波仿真計(jì)算，天線單元主極化、交叉極化方向圖、回波損耗曲線如圖2所示.

圖2 單元仿真曲線

從圖2仿真結(jié)果來看，兩極化端口回波損耗S11、S22帶寬內(nèi)小于15dB，而極化端口隔離S21僅小于-20dB，這是因?yàn)橥S探針饋電兩極化端口耦合影響所致，陣列設(shè)計(jì)中利用反相饋電技術(shù)可以使S21得到改善.

2 陣列設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)對(duì)波束寬度的要求，天線陣列形式確定為2×4，如圖3所示方位面兩個(gè)輻射單元，俯仰面四個(gè)輻射單元.為了實(shí)現(xiàn)俯仰面四單元合成輻射方向圖低旁瓣設(shè)計(jì)，采用傳統(tǒng)的泰勒加權(quán)方法，利用饋電網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)不等功率分配，如圖3（b）、（c）所示空氣同軸不等功分饋電網(wǎng)絡(luò)示意圖.方位面兩個(gè)單元無法實(shí)現(xiàn)加權(quán)設(shè)計(jì)，采用加載雙扼流槽的辦法降低方位面方向圖旁瓣，如圖3（a）所示在陣列天線周圍加載了雙扼流槽結(jié)構(gòu).

圖3 陣列結(jié)構(gòu)

2.1 泰勒加權(quán)

泰勒線源方向圖F（ψ）根據(jù)式（1）進(jìn)行幅度加權(quán)計(jì)算［7］:

式中:ψ=Lu／λ，L= （N-1）d，u（θ）=sinθ-sin θs，θs為波束掃描角度；A=arcosh RdB／π，RdB／dB為旁瓣值，當(dāng)給定RdB，求解方程（2），可得解A，再將其代入式（1）就可求得F（ψ）.

當(dāng)采用離散的分布單元加權(quán)來逼近F（ψ）時(shí)，可根據(jù)式（3）進(jìn)行計(jì)算.

取RdB=-18dB，N=4，經(jīng)計(jì)算口面幅度分布為0.714∶1∶1∶0.714，其中陣列中心兩單元幅度為1，邊緣兩單元幅度為0.714，利用不等功分網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)上述功分比，饋電網(wǎng)絡(luò)如圖3（b）、（c）所示.陣列中采用反相饋電技術(shù)改善陣列極化隔離度，天線陣列的仿真結(jié)果如圖4（a）所示，俯仰旁瓣電平在-17dB以下.

圖4 陣列仿真方向圖

2.2 雙扼流槽設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)方位面低副瓣設(shè)計(jì)，在陣列外圍加載雙扼流槽，扼流槽外形結(jié)構(gòu)如圖3（a）所示.扼流槽由套在喇叭外沿兒的溝槽來實(shí)現(xiàn)，槽深一般為1／4波長，中心波導(dǎo)內(nèi)傳輸TE10模.喇叭開口輻射電流主要包括波導(dǎo)內(nèi)壁電流、喇叭開口端電流、喇叭外壁電流.其中喇叭外壁電流對(duì)天線的方向圖影響很大，采用雙扼流槽可以控制喇叭口外壁電流，以達(dá)到方位面降低副瓣的目的.理論上兩單元天線等幅同相饋電的旁瓣是-13.34dB，經(jīng)過仿真計(jì)算得到方位面方向圖第一旁瓣電平達(dá)到-16dB以下，-3dB波束寬度大于21°，如圖4（b）所示，其中槽寬4.5mm，槽深8mm，槽間距9mm.

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

基于以上設(shè)計(jì)，加工了天線陣列實(shí)物，如圖5所示，天線采用鋁材數(shù)控加工，利用銷釘將三層鋁件進(jìn)行準(zhǔn)確定位，借助螺釘將兩層印制板與天線緊密壓接，雙面印制板敷銅加工保證層與層之間導(dǎo)電充分，采用同軸接插件饋電形式.對(duì)天線的兩極化E面和H 面方向圖、兩端口S參數(shù)進(jìn)行了測試，結(jié)果如圖6所示.

圖5 陣列實(shí)物

圖6 陣列實(shí)測結(jié)果

從圖6測試結(jié)果來看:天線兩主極化俯仰面、方位面方向圖曲線與仿真結(jié)果比較吻合，旁瓣電平均滿足在-16dB以下；S11、S22在帶寬內(nèi)小于-10 dB，水平極化S22相對(duì)較好，與仿真結(jié)果較為吻合，基本在-15dB以下；極化端口隔離度在9.5GHz±500MHz內(nèi)小于-35dB，兩極化交叉極化電平在-40dB以下，與單元仿真結(jié)果比較，采用反相饋電技術(shù)較好地改善了陣列天線的交叉極化隔離度指標(biāo).

4 結(jié) 論

本文提出了采用角錐喇叭作為輻射單元的陣列天線，同時(shí)結(jié)合同軸網(wǎng)絡(luò)泰勒加權(quán)技術(shù)、雙扼流槽加載技術(shù)、反相饋電技術(shù)實(shí)現(xiàn)了2×4雙極化陣列天線高隔離度、低旁瓣設(shè)計(jì).通過對(duì)天線實(shí)物的測試，驗(yàn)證了仿真結(jié)果和設(shè)計(jì)方法的有效性.文中的陣列天線形式及低旁瓣設(shè)計(jì)方法可應(yīng)用在較大型的雙極化低旁瓣陣列天線設(shè)計(jì)中，而扼流槽加載技術(shù)可應(yīng)用在寬波束、低旁瓣的天線設(shè)計(jì)中，此平板陣列天線已得到了工程應(yīng)用.

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