K波段雙圓極化波導(dǎo)陣列天線設(shè)計(jì)

宋長(zhǎng)宏，吳 群，張文靜

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

K波段雙圓極化波導(dǎo)陣列天線設(shè)計(jì)

宋長(zhǎng)宏1，2，吳 群1，張文靜2

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

傳統(tǒng)的雙極化波導(dǎo)縫隙天線陣每種極化方式交叉極化較差，極化端口隔離度不高，尤其實(shí)現(xiàn)共口徑輻射難度較大。介紹了一種K波段雙圓極化波導(dǎo)陣列天線設(shè)計(jì)方法，重點(diǎn)討論了高效率共口徑雙極化輻射單元、寬帶圓極化器、低損耗波導(dǎo)饋電網(wǎng)絡(luò)。利用仿真軟件進(jìn)行了優(yōu)化仿真分析，在此基礎(chǔ)上研制了樣件，對(duì)其電性能進(jìn)行了測(cè)量。測(cè)試結(jié)果表明，此雙圓極化波導(dǎo)陣列天線具有效率高、軸比帶寬寬、隔離度高等特點(diǎn)。

雙圓極化；極化器；軸比；隔離度

0 引 言

隨著衛(wèi)星通信技術(shù)的迅猛發(fā)展，對(duì)天線的要求越來越高，不僅要求天線實(shí)現(xiàn)小型化、低輪廓、低成本，還要求天線具有寬頻帶、多頻工作、極化分集、多業(yè)務(wù)融合的特點(diǎn)。同時(shí)圓極化天線具有抗干擾強(qiáng)，能夠接收任意極化的來波，發(fā)射的圓極化波可以被任意極化天線所接收，且圓極化天線具有抗多徑的效果，因此越來越受到關(guān)注，尤其廣泛應(yīng)用在衛(wèi)星通信系統(tǒng)中［12］。

圓極化陣列天線形式種類繁多，主要以微帶天線和波導(dǎo)陣列天線為主［36］，微帶天線具有易集成、加工精度高、低輪廓等特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)圓極化往往帶寬較窄，尤其實(shí)現(xiàn)雙圓極化結(jié)構(gòu)復(fù)雜、饋線冗長(zhǎng)、損耗較大，不適用于高頻段衛(wèi)星通信系統(tǒng)。波導(dǎo)陣列天線主要以波導(dǎo)縫隙陣為主，它的特點(diǎn)是可實(shí)現(xiàn)低副瓣、高效率、低損耗、低輪廓，但阻抗帶寬較窄，實(shí)現(xiàn)圓極化多采用不同形式的極化柵，且多為單圓極化輻射［710］。

本文介紹了一種雙圓極化波導(dǎo)陣列天線，輻射單元為方口喇叭，在腔體上開圓形縫隙，實(shí)現(xiàn)對(duì)方口喇叭的饋電，采用隔板極化器實(shí)現(xiàn)左右旋極化，利用E-T波導(dǎo)功分網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行功率合成，天線陣列結(jié)構(gòu)緊湊、圓極化軸比帶寬寬、輻射效率高。

1 單元設(shè)計(jì)

如圖1所示，天線輻射單元由方口喇叭、圓形縫隙、腔體和方波導(dǎo)組成，利用方波導(dǎo)實(shí)現(xiàn)對(duì)腔體的饋電，腔體上面所開的圓形縫隙在腔體上表面激勵(lì)起電流，通過方口喇叭輻射到自由空間。這種饋電結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了一個(gè)方波導(dǎo)同時(shí)饋電4個(gè)方口喇叭天線，與采用功分網(wǎng)絡(luò)合成的傳統(tǒng)陣列天線設(shè)計(jì)方法相比，具有插損低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的特點(diǎn)。

圖1 天線單元外形結(jié)構(gòu)

天線的工作頻段為23～26 GHz，標(biāo)準(zhǔn)方波導(dǎo)尺寸C＝8．64 mm，腔體的高度H3決定天線駐波的諧振頻率，通常取D＝λ／4（λ為中心頻率對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)），腔體寬度B決定天線駐波的諧振深度，圓形縫隙的直徑D、縫隙間距決定天線駐波的諧振位置和腔體表面電流幅度，喇叭口徑尺寸A＝0.75λ，喇叭口最佳間距d2＝0.866λ。

利用三維電磁場(chǎng)仿真軟件HFSS對(duì)波導(dǎo)陣列天線單元進(jìn)行了優(yōu)化仿真設(shè)計(jì)，確定了單元外形結(jié)構(gòu)尺寸，其中高度H3＝2.4 mm，寬度B＝20 mm，喇叭口徑尺寸A＝9 mm，高度H1＝3 mm，喇叭間距d2＝9.8 mm，圓形縫隙直徑D＝7.2 mm，縫隙間距d1＝9．1 mm，方波導(dǎo)的尺寸為8．64 mm。如圖2所示，分別給出了單元天線在頻點(diǎn)23 GHz、24．5 GHz、26 GHz時(shí)，yoz面和xoz面的輻射方向圖，其中，橫坐標(biāo)角度0°對(duì)應(yīng)天線口面法向方向。

從仿真結(jié)果可以看出，帶寬內(nèi)天線增益大于14．5 dB，依據(jù)增益與孔徑面積關(guān)系可得口徑輻射效率η帶寬內(nèi)大于85%，駐波帶寬內(nèi)小于1.5。增益與孔徑面積關(guān)系為式中，G為天線增益；Ae為天線口徑面積；λ為天線工作波長(zhǎng)。

2 圓極化天線單元設(shè)計(jì)

2.1 圓極化器設(shè)計(jì)

隔板圓極化器廣泛應(yīng)用在波導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，與傳統(tǒng)極化器相比，它的特點(diǎn)是不需要外加正交器就可以實(shí)現(xiàn)左、右旋圓極化同時(shí)工作，且端口隔離、相位一致性、駐波、插損、耐功率等指標(biāo)極易達(dá)到要求［1116］。圖3為隔板極化器的外形結(jié)構(gòu)圖，隔板極化器在方波導(dǎo)中插入鋸齒狀隔板，波導(dǎo)的一端為雙極化波入口，另一端分割為兩個(gè)旋向的極化端口。

圖2 天線單元仿真

隔板參考設(shè)計(jì)尺寸標(biāo)注見圖3（b），具體為：a1＝0.341λ，b1＝0.059λ，a2＝0.269λ，b2＝0.144λ，a3＝0.274λ，b3＝0.244λ，a4＝0.281λ，b4＝0.344λ，a5＝0.103λ，b5＝0.517λ，b6為方波導(dǎo)尺寸，根據(jù)饋電空間選擇合適的尺寸a6，天線工作在K波段所以取隔板厚度δ＝0.5 mm。

2.2 圓極化天線單元

基于圓極化器的參考尺寸，在HFSS中建立了圓極化器和輻射單元一體化模型，如圖4（a）所示，輻射單元分為左、右旋兩個(gè)極化端口，通過調(diào)節(jié)隔板的幾何參數(shù)，重點(diǎn)優(yōu)化軸比和端口隔離指標(biāo)。確定隔板尺寸為：a1＝4.09 mm，b1＝0.70 mm，a2＝1.722 mm，b2＝2.927 mm，a3＝3.282 mm，b3＝2.927 mm，a4＝3.368 mm，b4＝4.123 mm，a5＝1.245 mm，b5＝6.2 mm，a6＝3 mm，b6＝8.64 mm。圓極化天線輻射單元軸比如圖4（b）和圖4（c）所示。

圖3 隔板極化器

圖4 圓極化天線單元

從圖4（b）和圖4（c）仿真結(jié)果可以看出，天線單元帶寬內(nèi)軸比小于2 dB，兩極化的端口隔離帶寬小于－30 dB。

3 陣列設(shè)計(jì)

3.1 功分網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)天線高增益輻射，需要對(duì)天線進(jìn)行組陣設(shè)計(jì)，采用低損耗的波導(dǎo)功分網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行功率合成，圖5（a）為一分四波導(dǎo)合路器，倒向塊實(shí)現(xiàn)了縱向網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換成橫向的合成網(wǎng)絡(luò)，這樣并饋合成網(wǎng)絡(luò)將不再占用縱向空間，減小天線的厚度，利用匹配塊可實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)的匹配調(diào)諧。

對(duì)5端口功分網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行優(yōu)化仿真設(shè)計(jì)，圖5（b）為S參數(shù)曲線，端口1回波損耗帶寬內(nèi)小于－20 d B，傳輸常數(shù)為－6．1 d B，理論上網(wǎng)絡(luò)插耗僅為0．1 dB。

圖5 功分網(wǎng)絡(luò)

3.2 天線陣列設(shè)計(jì)

天線陣列的整體結(jié)構(gòu)可分為3層，分別為輻射層、極化器層、功分網(wǎng)絡(luò)層，圖6（a）給出了層與層之間的連接關(guān)系，對(duì)16×32天線陣進(jìn)行了仿真、加工。實(shí)物圖如圖6（b）和圖6（c）所示，利用數(shù)控分層加工工藝，并采用銷釘、螺釘進(jìn)行裝配，保證了對(duì)電磁波的良好屏蔽。圖7（a）～圖7（c）給出了天線陣俯仰面（天線窄邊）、方位面（天線長(zhǎng)邊）的方向圖仿真和實(shí)測(cè)結(jié)果；圖7（d）、圖7（e）和圖7（f）分別給出了S參數(shù)、軸比和口徑效率的實(shí)測(cè)結(jié)果。

從圖7樣件實(shí)測(cè)結(jié)果來看，16×32天線陣列帶寬內(nèi)增益大于35 dB，回波損耗實(shí)測(cè)值有所惡化主要是因?yàn)榧庸ぞ取⒀b配誤差所致，帶寬內(nèi)小于－15 dB，仍滿足設(shè)計(jì)需要。端口隔離參數(shù)S21、S12帶寬內(nèi)小于－25 d B，軸比小于3 dB的帶寬為16．5%，頻帶內(nèi)口面效率大于76%。

圖6 陣列設(shè)計(jì)

圖7 樣件實(shí)測(cè)

4 結(jié) 論

本文提出了一種縫隙耦合波導(dǎo)喇叭口輻射的雙圓極化波導(dǎo)陣列天線，介紹了天線單元、極化器、功分網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)方法，并加工、測(cè)試了16×32陣列樣件，測(cè)試結(jié)果達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，口面效率大于76%。天線特點(diǎn)是低輪廓、高效率、雙圓極化輻射、高隔離度。在要求小孔徑天線的衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，具有很好的工程應(yīng)用前景。

［1］Song G D，Li J X，Zhang J P．A study on the novel waveguide slotted antenna with dual polarization［J］．Journal of Modern Radar，2010，32（2）：67- 71．（宋國(guó)棟，李建新，張金平．新型雙極化波導(dǎo)縫隙天線研究［J］．現(xiàn)代雷達(dá)，2010，32（2）：67- 71．）

［2］Zhong S S，Kong L B，Gao C．Design of broad-band dual band dual-polarized share-aperture SAR antenna［J］．Journal of Electronics，2012，40（3）：542- 545．（鐘順時(shí)，孔令兵，高初．寬帶雙極化雙波段共口徑SAR天線設(shè)計(jì)［J］．電子學(xué)報(bào)，2012，40（3）：542- 545．）

［3］Wang J J，Lu J G．Waveguide slotted antenna array with broadband dual-polarization and low cross-polarization for x-band SAR applications［C］∥Proc.of the IEEE International Radar Conference，2012：653- 656．

［4］Xu J F，Chen Z N，Qing X M．140-GHz planar broadband LTCC SIW slot antenna array［J］．IEEE Trans.on Antennas Propagation，2012，60（6）：3025- 3028．

［5］Kim D J，Hirokawa J，Ando M．4×4-element corporate-feed waveguide slot array antenna with cavities for the 120 GHz-band［J］．IEEE Trans.on Antennas Propagation，2013，61（12）：68- 75．

［6］Rafli V，Nourinia J．Broadband circularly polarized slot antenna array using sequentially rotated technique for C-band applications［J］．IEEE Antennas and Wireless Propagating Letters，2013，12：128- 131．

［7］Sun Y X，Kwok W L．Dual-band and wideband dual-polarized cylindrical dielectric resonator antennas［J］．IEEE Antennas and Wireless Propagating Letters，2013，12：384- 387．

［8］Zhang Z Y，Liu N W，Zhao J Y．Wideband circularly polarizedantenna with gain improvement［J］．IEEE Antennas and Wireless Propagating Letters，2013，12：456- 459．

［9］Kim D Y，Chung W S，Park C H．A series slot array antenna for 45°-inclined linear polarization with siw technology［J］．IEEE Trans. on Antennas Propagation，2012，60（4）：1785- 1794．

［10］Kim D J，Lee W，Lee T K．Design of siw cavity-backed circularpolarized antennas using two different feeding transitions［J］．IEEE Trans.on Antennas Propagation，2011，59（4）：1398- 1403．

［11］Bao X Y，Guo Y X，Xiong Y Z．60-GHz AMc-based circularly polarized on-chip antenna using standard 0．18μm CMOS technology［J］．IEEE Trans.on Antennas Propagat，2012，60（5）：2234- 2240．

［12］Xu Z，Liang C H．A circular polarization multimode coupler［J］．Chinese Journal of Radio Science，2011，26（1）：175- 178．（許智，梁昌洪．一種圓極化多模耦合器［J］．電波科學(xué)學(xué)報(bào)，2011，26（1）：175- 178．）

［13］Lin Z Q，Qin L P，Yao M L，et al．Beam pointing excursion versus frequency and application of fixed delay line for planar antenna with multiple sub-arrays［J］．Journal of Electronics&Information Technology，2011，33（4）：987- 991．（林志強(qiáng)，秦麗平，姚敏立，等．多子陣平板陣列天線指向頻率相應(yīng)分析與固定長(zhǎng)度延遲線應(yīng)用［J］．電子與信息學(xué)報(bào)，2011，33（4）：987- 991．）

［14］Baik J W，Lee T H．Broadband circularly polarized crossed dipole with parasitic loop resonator and its arrays［J］．IEEE Trans. on Antennas Propagation，2011，59（1）：80- 86．

［15］Nasimuddin，Chen Z N，Qing X M．A compact circularly polarized cross-shaped slotted microstrip antenna［J］．IEEE Trans. on Antennas Propagation，2012，60（3）：1584- 1589．

［16］Kirino H，Ogawa K．A 76 GHz multi-layered phased array antenna using a non-metal contact metal-material waveguide［J］．IEEE Trans.on Antennas Propagation，2012，60（2）：840- 846．

Design of K-band dual-circularly-polarization waveguide array antennas

SONG Chang-hong1，2，WU Qun1，ZHANG Wen-jing2
（1.Department of Electronic and Communications Engineering，Harbin Institute of Technology，Harbin 150001，China；2.The 54th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation，Shijiazhuang 050081，China）

The cross-polarizations and the polarization port isolation performance of conventional dual-polarization waveguide slotted array antennas are poor，especially difficult to realize co-aperture dual-circularly-polarization radiation．A novel dual-circularly-polarization waveguide array antenna at K-band is studied．The high-efficiency dual-polarized co-aperture radiation element，wide-band polarizer，low loss feed network are discussed，simulated and optimized by software．A prototype has been made and tested．The measured results show that waveguide array antennas proposed have the characteristics of high-efficiency，wide-band of axial ratio，and highisolation．

dual-circularly-polarization；polarizer；axial ratio；isolation

TN 82

A

10．3969／j．issn．1001-506X．2015．01．01

宋長(zhǎng)宏（1980-），男，高級(jí)工程師，博士研究生，主要研究方向?yàn)槠矫骊嚵刑炀€、相控陣天線、共形天線設(shè)計(jì)與計(jì)算。

E-mail：songzanyi2011＠126．com

吳 群（1955-），男，教授，博士，主要研究方向?yàn)樯漕l／微波／毫米波器件與電路、天線與電磁兼容性、微波系統(tǒng)與測(cè)量技術(shù)。

E-mail：qwu＠hit．edu．cn

張文靜（1962-），男，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)樾l(wèi)星天線饋源系統(tǒng)研究。

E-mail：zhangwj＠cti．a(chǎn)c．cn

1001-506X（2015）01-0001-05

網(wǎng)址：www．sys-ele．com

2014- 01- 24；

2014- 05- 12；網(wǎng)絡(luò)優(yōu)先出版日期：2014- 07- 14。

網(wǎng)絡(luò)優(yōu)先出版地址：http：／／w ww．cnki．net／kcms／detail／11．2422．TN．20140714．1405．008．html

國(guó)家自然科學(xué)基金（61371044）資助課題