低剖面雙頻雙圓極化平板縫隙天線的設(shè)計(jì)

張娜曼 楊 峰 楊 鵬

（電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院，四川 成都611731）

引 言

隨著現(xiàn)代衛(wèi)星通信、雷達(dá)等系統(tǒng)的進(jìn)步，所需系統(tǒng)組件向著結(jié)構(gòu)緊湊、多頻段、多極化方向發(fā)展.圓極化形式因具有極化損失小，受降雨、雪、電離層引起的衰減小等優(yōu)點(diǎn)而廣泛運(yùn)用于很多通信系統(tǒng)中.很多情況下，要求收發(fā)天線工作于不同頻率且具有不同極化方向，若采用多個(gè)非共口徑的天線子系統(tǒng)必然會(huì)存在系統(tǒng)占用空間大、笨重等問(wèn)題.基于上述情況，設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的低剖面雙頻雙圓極化平板天線很有意義.

雙頻天線陣列主要有：微帶陣列［1－2］、波導(dǎo)縫隙陣列［3－4］、拋物面天線［5］等.近年來(lái)，微帶形式雙頻天線的研究大部分集中于低頻段陣列或高頻段的單元天線或小型陣列.這主要是因?yàn)椋阂环矫?，大型微帶陣列需設(shè)計(jì)較為復(fù)雜的功分網(wǎng)絡(luò)，插損大；另一方面，當(dāng)頻率升高至毫米波段時(shí)，介質(zhì)損耗增大，導(dǎo)致天線的效率明顯降低.波導(dǎo)縫隙陣列雖然效率高，卻存在體積笨重、加工精度要求高等問(wèn)題.而常見(jiàn)的雙頻拋物面陣列雖然具有效率高、極化純度高等優(yōu)點(diǎn)，卻存在饋源設(shè)計(jì)復(fù)雜以及曲面天線體積笨重等缺點(diǎn).

雙層徑向線縫隙天線（Double layers－Radial Line Slot Antennas，DL－RLSA）由日本學(xué)者 Ando M作為DBS衛(wèi)星接收天線于1986年首次被提出［6］，后來(lái)為了簡(jiǎn)化天線結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步提出了單層徑向線縫隙天線（Single－Layer Radial Line Slot Antennas，SL－RLSA）［7］.SL－RLSA 具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、剖面低、損耗小、效率高等優(yōu)點(diǎn)，直至現(xiàn)在，依然受到各國(guó)學(xué)者的廣泛關(guān)注，但所有關(guān)于SL－RLSA的研究均是針對(duì)其單頻形式.

基于SL－RLSA設(shè)計(jì)了一種新型雙頻（Ku／Ka）雙圓極化縫隙天線，該天線具有以下特點(diǎn)：1）平板天線，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、剖面低；2）饋電結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，軸比性能好；3）端口隔離度高；4）圓極化旋向易于實(shí)現(xiàn)；5）對(duì)于較高頻率比的情況，該天線結(jié)構(gòu)更具有優(yōu)勢(shì).

1 基本原理與設(shè)計(jì)

1.1 傳統(tǒng)SLRLSA結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)圓極化SL－RLSA結(jié)構(gòu)，如圖1所示，能量由中央同軸探針饋入，激勵(lì)起外行徑向TEM模［7］.為了保證徑向波導(dǎo)中只傳輸主模（沿徑向傳輸?shù)腡EM 模），需保證徑向波導(dǎo)的高度 H＜λg／2（λg表示波導(dǎo)波長(zhǎng)）.在無(wú)縫隙的情況下，由于柱面擴(kuò)散作用，徑向波導(dǎo)內(nèi)的場(chǎng)會(huì)呈錐銷分布.SL－RLSA采用長(zhǎng)度逐漸加長(zhǎng)的縫隙實(shí)現(xiàn)從內(nèi)至外的縫隙對(duì)耦合強(qiáng)度按一定規(guī)律逐漸增強(qiáng)，抵消錐銷衰減，從而實(shí)現(xiàn)天線口徑場(chǎng)的均勻分布［7－9］，獲得高輻射效率.

圖1 傳統(tǒng)圓極化SL－RLSA結(jié)構(gòu)示意圖

根據(jù)主模場(chǎng)分布形式，采用兩條相互垂直且徑向距離為λg／4的縫隙組成一個(gè)圓極化縫隙對(duì)單元.為了實(shí)現(xiàn)側(cè)射輻射，縫隙對(duì)螺旋排布于最上層金屬板上.徑向波導(dǎo)中的能量一邊沿徑向傳輸，一邊通過(guò)波導(dǎo)上表面縫隙向外輻射.為了避免激勵(lì)起高次模，徑向波導(dǎo)中央需留出一片無(wú)縫隙區(qū)域（徑向半徑至少一個(gè)λg）.相鄰縫隙對(duì)的徑向間距和方位角間距分別為Sρ和Sφ.其中，Sρ等于一個(gè)波導(dǎo)波長(zhǎng)λg，Sφ任意選?。ǎ鸡薵）.為了抑制柵瓣的產(chǎn)生，需在波導(dǎo)中填充慢波介質(zhì)，使得λg＜λ0（λ0表示自由空間工作波長(zhǎng)）.

1.2 雙頻雙圓極化縫隙天線的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

基于傳統(tǒng)SL－RLSA，設(shè)計(jì)雙頻（Ku／Ka）雙圓極化RLSA.天線在Ku、Ka頻段分別實(shí)現(xiàn)右旋和左旋圓極化，天線結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示.該結(jié)構(gòu)包含三層平行金屬平板，從上到下依次編號(hào)1、2、3.1號(hào)和2號(hào)平板構(gòu)成高頻Ka頻段徑向波導(dǎo)，1號(hào)和3號(hào)平板構(gòu)成低頻Ku頻段徑向波導(dǎo).

在SL－RLSA的設(shè)計(jì)中，為了保證徑向波導(dǎo)內(nèi)傳輸?shù)难貜较虻腡EM場(chǎng)不被嚴(yán)重干擾，要求徑向波導(dǎo)上平板中央需留出一片無(wú)縫隙區(qū)域［7］，利用此特點(diǎn)，我們將高頻RLSA的縫隙排布于低頻RLSA的上平板中央無(wú)縫隙空白區(qū)域來(lái)實(shí)現(xiàn)雙頻RLSA.如圖3（a）所示，所有縫隙對(duì)螺旋排布在1號(hào)金屬平板上，低頻縫隙對(duì)逆時(shí)針排布，高頻縫隙對(duì)順時(shí)針排布，分別實(shí)現(xiàn)右旋、左旋圓極化側(cè)射輻射.單元縫隙對(duì)的設(shè)計(jì)與排布規(guī)律與傳統(tǒng)圓極化SL－RLSA相同.

圖2 雙頻RLSA結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 雙頻RLSA饋電結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

兩個(gè)頻段若均采用傳統(tǒng)中央探針饋電形式，會(huì)存在探針位置重合的沖突.根據(jù)徑向波導(dǎo)可以采用單根中央探針和多根探針激勵(lì)實(shí)現(xiàn)徑向TEM傳輸場(chǎng)模式［10－12］，我們將這兩種饋電形式相結(jié)合：低頻采用多根探針，高頻采用單根探針.為簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，低頻段選擇四根探針的饋電形式.

饋電探針的分布示意圖如圖2、4（a）所示.低頻四根探針從3號(hào)平板底部探入到2、3平板間，且等幅同相激勵(lì)；高頻中央探針探入到1、2平板間.采用該饋電結(jié)構(gòu)，一方面可保證兩頻段徑向波導(dǎo)中激勵(lì)起相應(yīng)沿徑向傳輸?shù)腡EM場(chǎng)；另一方面可保證饋電探針?lè)植己侠?，且兩個(gè)頻段的饋電結(jié)構(gòu)不會(huì)相互影響.

為了激勵(lì)Ku頻段的四根饋電探針，設(shè)計(jì)了一個(gè)微帶等功分4路Wilkinson功分器.如圖4（b）所示.整體饋電結(jié)構(gòu)如圖3（b），微帶功分器固定于徑向平板下方，采用同軸過(guò)渡微帶方式饋電，實(shí)現(xiàn)在Ku波段等幅同相激勵(lì)四根探針，從而饋電Ku頻段徑向波導(dǎo).中央同軸用于饋電Ka頻段徑向波導(dǎo).

圖4

2 天線設(shè)計(jì)參數(shù)及仿真分析結(jié)果

采用商用三維電磁仿真軟件HFSS對(duì)天線進(jìn)行全波仿真.為了抑制柵瓣，在徑向波導(dǎo)中填充相對(duì)介電常數(shù)為1.55，損耗正切角為0.001的介質(zhì).微帶功分器印刷在厚度為0.254mm、相對(duì)介電常數(shù)為2.2的Roger／Duriod5880介質(zhì)板上.如圖2、3（b）所示.

令Sρ＝λg，Sφ＝0.62λg，優(yōu)化饋電探針的位置r和探針深入到徑向波導(dǎo)中的長(zhǎng)度d1、d2調(diào)節(jié)阻抗匹配［12］.

建模初步仿真發(fā)現(xiàn)，當(dāng)僅采用縫隙平板和饋電探針結(jié)構(gòu)時(shí)，由于Ka頻段縫隙的影響，使得Ku頻段端口輸入阻抗非常大，難以匹配.為了解決該問(wèn)題，采取在2號(hào)平板的外圍區(qū)域加一圈金屬通孔，將1號(hào)和2號(hào)平板短路，如圖2、3（a）所示.但加入通孔后，會(huì)導(dǎo)致天線在Ka頻段的軸比性能稍惡化，這主要是因通孔反射及其自身輻射所造成的.

最終確定天線的參數(shù)如表1所示.

天線兩個(gè)端口的S參數(shù)如圖5所示，端口回波損耗帶寬較寬，兩個(gè)端口間的隔離度非常好，低于－32dB.該新型結(jié)構(gòu)雙頻天線保持了傳統(tǒng)SLRLSA的優(yōu)點(diǎn)，因采用徑向波導(dǎo)饋電且通過(guò)控制縫隙對(duì)的長(zhǎng)度變化實(shí)現(xiàn)天線口徑場(chǎng)均勻分布，天線損耗小、效率高.如圖6所示，天線在兩個(gè)設(shè)計(jì)中心頻點(diǎn)12.0GHz和30.0GHz的增益分別達(dá)到24.81 dB和25.44dB，對(duì)應(yīng)的輻射效率分別為57.1%和55.4%；副 瓣 電 平 偏 高，分 別 為 －8.92dB 和－12.91dB，這主要是由于對(duì)縫隙對(duì)單元的分析存在偏差，導(dǎo)致未能精確控制縫隙對(duì)耦合強(qiáng)度實(shí)現(xiàn)理想的均勻口徑場(chǎng)分布；3dB波束寬度分別為7.30°和8.23°；交叉極化分量均低于－25dB.從圖7掃頻結(jié)果知，天線最大增益發(fā)生在12.3GHz和29.7 GHz，對(duì)應(yīng)的最高輻射效率分別為60.5%和55.7%，產(chǎn)生了些許頻偏，這也是由于對(duì)縫隙對(duì)單元的分析誤差導(dǎo)致的.在Ku和Ka兩個(gè)頻段的1dB增益帶寬分別為8.3%和6.2%；與傳統(tǒng)RLSA相同，該天線的軸比性能很好，軸比帶寬（小于3dB）較寬，如圖8所示.

表1 天線結(jié)構(gòu)參數(shù)

圖5 天線端口回波損耗與隔離度

基于傳統(tǒng)SL－RLSA形式的雙頻雙圓極化縫隙天線，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，剖面低、軸比性能好，天線效率高.單探針與多探針結(jié)合的饋電結(jié)構(gòu)，保證端口具有很高的隔離度.兩個(gè)頻段的極化形式選擇自由且易于實(shí)現(xiàn)，只需改變縫隙對(duì)的排布形式即可.

圖6 天線在不同設(shè)計(jì)中心頻點(diǎn)的增益方向圖

圖7 天線增益

圖8 天線軸比

3 結(jié) 論

介紹了一種新型低剖面雙頻（Ku／Ka）雙圓極化縫隙天線結(jié)構(gòu).采用三層平行平板結(jié)構(gòu)，單探針與多探針結(jié)合的饋電形式，天線結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、剖面低、易于加工.仿真結(jié)果表明，該天線具有損耗小、增益效率高、端口隔離度高等優(yōu)點(diǎn)，天線性能好.對(duì)于頻率比較大的雙頻高增益天線設(shè)計(jì)，該結(jié)構(gòu)是一個(gè)很好的選擇.

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