雙極化賦形波束波導縫隙陣列天線研究?

孟明霞， 丁曉磊， 丁克乾， 劉 昊， 史永康

(北京遙測技術研究所 北京 100076)

雙極化賦形波束波導縫隙陣列天線研究?

孟明霞， 丁曉磊， 丁克乾， 劉 昊， 史永康

(北京遙測技術研究所 北京 100076)

設計一種雙線極化的賦形波束波導縫隙駐波天線陣，它是由兩個極化相互正交的線陣交錯排列組成的二維陣列。饋電網絡通過采用等高不等寬的波導實現(xiàn)相位加權，通過改變縫隙傾角實現(xiàn)幅度加權，從而得到特定的賦形波束。饋電網絡置于陣面背后，背饋方式的采用展寬了天線的帶寬。脊波導的采用減小了波導的寬邊尺寸，避免了柵瓣的出現(xiàn)，使天線結構更加緊湊。加工了天線實物，測試結果與仿真結果在賦形波束主瓣內吻合良好。

波導縫隙天線； 雙極化； 賦形波束

引 言

波導縫隙陣列天線以其口面分布容易控制、輻射效率高、結構緊湊、性能穩(wěn)定可靠、加工與安裝便捷等諸多優(yōu)點，在通信、雷達等系統(tǒng)中獲得了廣泛應用。

在這些系統(tǒng)中，往往需要天線具有雙極化輻射特性。例如在SAR系統(tǒng)中，利用地物對不同極化電磁波散射特性的不同，采用雙極化的工作模式就能夠獲取豐富的地物信息，從而更好地區(qū)分和鑒別地物；在衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，采用雙極化天線可以在同一帶寬內發(fā)射兩種不同極化的信號，節(jié)約了頻率資源，使頻帶利用率提高了一倍。隨著系統(tǒng)功能需求的不斷擴展，對天線波束形狀也提出了新的要求，如余割平方波束、寬波束、特定指向波束等。因此，對雙極化賦形波束波導縫隙陣列天線的研究具有重要意義。

以往設計的一些雙極化波導縫隙天線都不盡如人意。文獻[1]中，為了避免出現(xiàn)柵瓣，應用了很多介質材料，導致?lián)p耗較大，天線效率低，且天線的形式限制了其饋電方式只能采用端饋，帶寬也窄；文獻[2]中雙極化的實現(xiàn)采用了兩個分離的天線子系統(tǒng)，不僅體積大，而且饋電網絡復雜，導致整體剖面高度高。

本文設計了一種±45°雙線極化的波導縫隙駐波陣，可以實現(xiàn)收發(fā)同時。脊波導的采用減小了波導的寬邊尺寸，避免了柵瓣的出現(xiàn)，使天線結構更加緊湊；同時該天線還采用背饋方式展寬帶寬，饋電網絡也相對簡單。

要實現(xiàn)波束賦形，需要對波導縫隙陣的幅度和相位進行同時控制。本文通過變化縫隙傾角實現(xiàn)幅度加權，通過采用等高不等寬的波導實現(xiàn)相位控制，從而得到特定的波束賦形。饋電網絡為兩層波導結構，通過采用半高波導來減小整體剖面高度。

1 天線陣的設計

1.1 雙極化輻射天線陣面設計

縫隙輻射單元是在脊波導的基礎上設計的[3]，這里采用T型脊，使波導的寬邊尺寸不到常規(guī)波導寬邊尺寸的一半，給雙極化的陣面布局提供了空間且避免了組陣之后柵瓣的出現(xiàn)。圖1為脊波導輻射單元的結構模型。輻射單元由耦合縫、輻射縫和放置在它們中間的腔體三部分組成。腔體、耦合縫和輻射縫是一一對應的。耦合縫開在脊波導有脊的一面上，產生極化方向與波導軸垂直的線極化信號，并將此種極化狀態(tài)的信號送入腔體中。腔體可以看作是傳輸線的一個過渡部分，有效地將信號從耦合縫送到輻射縫。輻射縫接收到從腔體傳遞過來的能量后將其輻射到自由空間。

輻射縫相對耦合縫分別旋轉+45°和-45°后并列放置，組成相互正交的雙線極化陣列，如圖2所示。兩個脊波導共用一窄邊。由于腔體的位置和尺寸固定，此處為了使相鄰腔體不重疊，第二根波導相對第一根波導移動了λg/4，此時兩腔體間距也在1mm以上，保證了加工的需要。在每一根線陣上，相鄰單元間距為λg/2(λg為波導波長)。由于每隔λg/2，波導壁表面電流的相位反相，因此為保證各個縫隙單元同相輻射，相鄰耦合縫位于波導寬邊中心線的兩側。

饋電波導采用背饋方式展寬帶寬。但如果此時饋電波導仍放在脊波導的中間位置，兩個極化的相鄰兩根饋電波導就會重疊，因此本文將兩根饋電波導分別放置在偏離中間位置λg/4處，如圖2。此時的饋電縫隙對兩個波導而言都是串聯(lián)縫，而耦合縫對輻射波導等效為并聯(lián)縫。由于背饋時，對于耦合縫只要滿足其歸一化等效導納之和為2，從饋電波導看就是匹配的，因此偏離輻射波導中間饋電仍然滿足匹配要求。

圖2 雙極化波導縫隙線陣模型

1.2 賦形饋電網絡設計

雙極化賦形波束波導縫隙天線饋電網絡布局如圖3所示。兩個極化的饋電波導分布在陣列的兩側。由于空間的限制，饋電波導均采用非標波導，且采用半高波導以降低天線的整體剖面高度。

圖3 饋電網絡模型

由于輻射波導是脊波導，因此激勵輻射波導的縫隙采用“Z”字型。“Z”字型縫隙主要起到能量的耦合與匹配作用，為了使饋電波導傳遞過來的能量全部進入輻射波導，在“Z”字型縫隙正上方對應脊波導的T型脊位置開一段槽，如圖3所示，從而在不改變脊波導內場的情況下保證能量有效傳輸[4]。

饋電網絡采用兩層波導設計，如圖3所示。第一層是移相波導，第二層是幅度激勵波導。移相波導的機械長度一致，通過改變移相波導寬邊尺寸來實現(xiàn)相位的改變，并加入了過渡段以減小波導寬邊不連續(xù)引起的反射。幅度激勵波導在波導寬邊中心線上開傾斜縫，通過改變縫隙傾角來實現(xiàn)激勵幅度的控制。幅度和相位相互作用，從而實現(xiàn)需要的賦形波束。表1列出了本文6單元賦形陣列所需要的幅相分布。表2為根據(jù)幅度分布得到的幅度激勵縫隙的傾角分布[5]。

表1 6單元賦形陣列的幅相分布

表2 幅度激勵縫隙參數(shù)

1.3 仿真結果分析

通過上面的分析，在HFSS中建立模型，仿真得到賦形方向圖，如圖4、圖5所示。由于陣面分布不同相，陣列單元之間的互耦影響復雜，導致交叉極化電平與同相分布時相比較高，約-20dB。副瓣設計在-20dB以下，滿足指標要求。

圖4 第一種極化仿真低頻和高頻方向圖

圖5 第二種極化仿真低頻和高頻方向圖

2 天線實測結果分析

根據(jù)仿真模型加工了天線實物，如圖6所示。天線方向圖測試結果如圖7、圖8所示。由圖可見，實測方向圖主瓣與仿真結果吻合良好；交叉極化電平在-17dB以下，與設計值相差不大；但副瓣電平達到約-11dB，惡化嚴重，與設計值相差較大，這主要是因為天線加工誤差偏大，尤其是脊波導內腔在加工過程中出現(xiàn)變形，導致副瓣等方向圖指標惡化。

圖6 天線實物

圖7 第一種極化實測低頻和高頻方向圖

圖8 第二種極化實測低頻和高頻方向圖

3 結束語

本文給出了一個雙線極化賦形波束波導縫隙駐波天線陣的設計實例，它是由兩個極化相互正交的線陣交錯排列組成的二維陣列。饋電網絡通過采用等高不等寬的波導實現(xiàn)相位加權，通過改變縫隙傾角實現(xiàn)幅度加權，從而得到特定的賦形波束。加工了天線實物，測試結果與仿真結果在賦形波束主瓣內吻合良好。但由于加工過程中脊波導內腔出現(xiàn)變形，導致加工誤差偏大，使得方向圖副瓣等指標嚴重惡化。下一步將研究加工誤差補償措施，盡量降低加工難度，減小加工誤差。

[1]Park S，Okajima Y，Hirokawa J，and Ando M.A Slotted Post-wallWaveguide Array with Interdigital Structure for45° Linear and Dual Polarization[J].IEEE Trans.Antenna Propag，2005，53：2865～2871.

[2]WangWei，Jin Jian，Lu Jiaguo，et al.Waveguide Antenna Array with Broadband，Dual-polarization and Low Crosspolarization for X-Band SAR Applications[C]//IEEE International Radar Conference，2005：653～656.

[3]孟明霞，丁曉磊，等.任意極化波導縫隙天線的設計[J].遙測遙控，2008，29(6)：12～16.

[4]Cong Youji，Dou Wenbin.Design of Dual-Polarized Waveguide Slotted Antenna Array for Ka-band Application[C]// Proceedings of the 9th International Symposium on Antennas，Propagation and EM Theory，2010：97～100.

[5]王 杰，呂善偉.有限元方法設計賦形波束縫隙面陣饋電網絡[J].北京航空航天大學學報，2002，28：574～577.

Design of Dual Polarized Shaped Beam Waveguide Slot Array Antenna

Meng Mingxia， Ding Xiaolei， Ding Keqian， Liu Hao， Shi Yongkang

A dual polarized shaped beam waveguide slot array antenna is proposed in this paper.The first polarization slot array is interlaced with the second one whose polarization is orthogonal with the first one to provide a planar antenna array.The phase exciting ismade by thewaveguideswith equal height and differentwidth，and the amplitude exciting ismade by changing the slot angles，then the proper shaped beam is achieved.A ridged waveguide is adopted to obtain a compact structure and the rear-feed distribution network is adopted to broaden the bandwidth.The antenna ismanufactured and the test result is coincidentwellwith the simulation in the shaped beam part.

Waveguide slot array antenna； Dual polarization； Shaped beam

TL503

A

CN11-1780(2014)06-0016-04

孟明霞 1984年生，碩士，工程師，主要研究方向為天線理論與技術。

丁曉磊 1971年生，博士，研究員，主要研究方向為天線理論與技術。

丁克乾 1976年生，碩士，高級工程師，主要研究方向為天線理論與技術。

劉 昊 1976年生，博士，研究員，主要研究方向為天線理論與技術。

史永康 1978年生，碩士，高級工程師，主要研究方向為天線理論與技術。

總裝預研項目

2014-05-12 收修改稿日期：2014-08-06