一種高性能Ku喇叭陣列天線的設(shè)計(jì)

張瑞東，牛傳峰

(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)

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一種高性能Ku喇叭陣列天線的設(shè)計(jì)

張瑞東，牛傳峰

(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)

Ku波段已經(jīng)成為衛(wèi)星通信一個(gè)主要的工作頻段。設(shè)計(jì)了一種高效率的喇叭天線單元，通過(guò)插損較小的空氣帶狀線進(jìn)行組陣減小陣列厚度；通過(guò)180度倒相饋電形式對(duì)相鄰單元進(jìn)行饋電，減小了天線極化之間的耦合，改善了天線的交叉極化隔離度性能。結(jié)果表明該天線陣列增益效率高，天線整體厚度較小，交叉極化隔離度高，是實(shí)現(xiàn)平板陣列天線的理想形式。

高效率；低剖面；Ku波段；平板陣列天線

0　引言

隨著全球經(jīng)濟(jì)和信息化的高速發(fā)展，越來(lái)越多的信息通過(guò)衛(wèi)星進(jìn)行傳輸，在移動(dòng)載體上隨時(shí)隨地與衛(wèi)星通信，也已成為軍民兩用應(yīng)急通信、實(shí)時(shí)通信的迫切需求[1]。衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一就是天線技術(shù)[2]，動(dòng)中通天線技術(shù)的研究已成為衛(wèi)星移動(dòng)通信技術(shù)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。傳統(tǒng)拋物面天線輪廓較高[3]，不易與載體共形；波導(dǎo)饋電形式的喇叭陣列厚度大，低輪廓內(nèi)不易提高口徑面積。平板動(dòng)中通天線具有拼陣靈活，比同等口徑剖面低得多[4]，易與載體共形等優(yōu)點(diǎn)，能夠更好地滿足動(dòng)中通天線的要求。高性能的Ku喇叭陣列天線則成為實(shí)現(xiàn)低剖面動(dòng)中通天線的關(guān)鍵。

本文通過(guò)對(duì)傳統(tǒng)喇叭進(jìn)行改進(jìn)，通過(guò)雙層空氣帶線饋電，實(shí)現(xiàn)了雙極化高效率的喇叭天線單元的設(shè)計(jì)。在此基礎(chǔ)上對(duì)喇叭單元進(jìn)行組陣，單元喇叭排列緊湊可以充分利用天線口徑面積，天線與網(wǎng)絡(luò)整體設(shè)計(jì)，保證天線易加工，精度高；通過(guò)對(duì)相鄰單元之間采用倒相饋電技術(shù)，提高了天線交叉極化隔離度[5]。從仿真結(jié)果來(lái)看，天線是整體厚度低，增益效率高，交叉極化隔離度高，是實(shí)現(xiàn)平板陣列天線的理想形式。

1　天線單元設(shè)計(jì)

喇叭天線是一種應(yīng)用廣泛的微波天線，其具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，頻帶較寬，功率容量大，調(diào)整與使用方便等優(yōu)點(diǎn)，其由逐漸張開(kāi)的波導(dǎo)構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)定向輻射。喇叭示意圖見(jiàn)圖1。喇叭的功能是在比波導(dǎo)更大的口徑上產(chǎn)生均勻的口面場(chǎng)分布，從而獲得較高的定向性。由于喇叭口面不是等相位面，邊緣與處于中心點(diǎn)上場(chǎng)的相位差為：

圖1　傳統(tǒng)喇叭天線示意圖

式中：c——真空光速；

L0——喇叭頂點(diǎn)到口面中心距離；

L——喇叭頂點(diǎn)到邊緣距離。

由經(jīng)典天線理論可知，當(dāng)天線口面給定時(shí)，電場(chǎng)均勻等相分布時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)最大增益。當(dāng)激勵(lì)信號(hào)從波導(dǎo)向喇叭口輻射過(guò)程中，電磁場(chǎng)到喇叭口面中心點(diǎn)與邊緣距離不相等，導(dǎo)致產(chǎn)生的相差使得天線口面場(chǎng)不均勻從而降低了天線的增益效率。

本文在傳統(tǒng)喇叭天線的基礎(chǔ)上對(duì)其進(jìn)行了兩點(diǎn)改進(jìn)：一是在饋電波導(dǎo)段與天線喇叭張角段增加了階梯過(guò)渡波導(dǎo)；二是輻射口徑表面增加了十字柵格以改善固有的口面場(chǎng)相差。天線喇叭結(jié)構(gòu)示意如圖2所示。通過(guò)這兩點(diǎn)改進(jìn)，極大地提高了天線口面的輻射效率。

圖2　改進(jìn)后喇叭天線示意圖

十字柵格通過(guò)采用厚度為0.127mm，介電常數(shù)為2.2，損耗正切為0.9×10-4的介質(zhì)板上覆銅線實(shí)現(xiàn)[6]。通過(guò)印制電路板加工工藝可以保證較高精度，較薄的介質(zhì)材可使等效介電常數(shù)近似于空氣的介電常數(shù)，從而大大降低了饋線的介質(zhì)損耗。通過(guò)在HFSS軟件上對(duì)天線進(jìn)行建模仿真，得到單元仿真方向圖如圖3所示。

圖3　發(fā)射方向圖

對(duì)天線進(jìn)行仿真完的方向圖的增益進(jìn)行計(jì)算之后，得到收發(fā)頻率天線口徑效率均在92%以上。具體見(jiàn)表1。

表1　天線單元口徑效率

2　天線饋線設(shè)計(jì)及仿真

高效率的天線輻射單元的設(shè)計(jì)，為天線組陣打下了良好的基礎(chǔ)。天線組陣常用形式為波導(dǎo)饋線與帶狀線饋線兩種形式。波導(dǎo)饋線的優(yōu)點(diǎn)是插入損耗小，缺點(diǎn)是導(dǎo)致天線整體厚度大，占用走線空間大。兩個(gè)極化的饋電網(wǎng)絡(luò)采用兩層H-T波導(dǎo)功分網(wǎng)絡(luò)，這樣饋電網(wǎng)絡(luò)的厚度就超過(guò)30mm。帶狀線的優(yōu)點(diǎn)是占用空間小，相比波導(dǎo)饋線可以極大地壓縮天線整體厚度，有效地控制天線體積和重量。這在當(dāng)前對(duì)天線尺寸重量有苛刻要求的機(jī)載天線等有重要意義。本文通過(guò)采用厚度為0.127mm，介電常數(shù)為2.2，損耗正切為0.9×10-4的介質(zhì)板上覆銅線實(shí)現(xiàn)帶線饋電，帶線損耗減小到最低程度，整體饋電網(wǎng)絡(luò)厚度僅2.5mm。帶狀線示意圖見(jiàn)圖4。從圖4中可以看出，由于介質(zhì)厚度極小，使得帶線的介質(zhì)損耗接近于懸置于空氣中的程度，從而有效減小帶線插損。這種準(zhǔn)空氣帶狀線具有重量輕、可靠性高、便于制造和裝配的特點(diǎn)，是一種較為理想的線陣結(jié)構(gòu)方式[7,8]。

通過(guò)探針耦合天線單元波導(dǎo)諧振腔，可以給天線單元進(jìn)行激勵(lì)饋電，如圖5所示。

圖4　帶狀線饋電示意圖

圖5　天線單元饋電示意圖

從圖5可以看出，在天線單元上通過(guò)上下間隔一定高度差的兩個(gè)正交探針對(duì)天線單元諧振腔體進(jìn)行激勵(lì)，可以產(chǎn)生兩個(gè)正交極化信號(hào)。在腔體底部增加了調(diào)配塊，在每個(gè)探針前面增加了小圓片，這樣可以實(shí)現(xiàn)探針與腔體的良好匹配。

在單元饋電基礎(chǔ)上，對(duì)2×2子陣進(jìn)行饋電網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)。通過(guò)對(duì)相鄰單元進(jìn)行180°倒相饋電，可以有效地減小交叉極化分量，從而提高天線的極化隔離度。具體饋電網(wǎng)絡(luò)見(jiàn)圖6、7。

圖6　天線2×2子陣網(wǎng)絡(luò)示意圖

圖7　天線2×2子陣模型整體示意圖

通過(guò)在HFSS高頻結(jié)構(gòu)仿真軟件上對(duì)天線2×2子陣進(jìn)行建模仿真，分別得到天線子陣的駐波、方向圖及交叉極化特性。如圖8所示。

圖8　天線2×2子陣方向圖仿真圖

從圖8可以看出天線方位及俯仰方向圖特性及交叉極化隔離度，其中天線交叉極化隔離度均在40dB以上。仿真結(jié)果看整體性能出色。

圖9　天線8×8天線陣列網(wǎng)絡(luò)示意圖

3　天線陣列設(shè)計(jì)

在天線2×2子陣的基礎(chǔ)上，可以靈活地進(jìn)行天線陣列設(shè)計(jì)。這里給出一個(gè)8×8規(guī)模天線陣列的設(shè)計(jì)實(shí)例。

天線陣列通過(guò)多個(gè)一分二功分器連接完成饋電，并最終通過(guò)帶線波導(dǎo)轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)成波導(dǎo)接口。天線水平及垂直極化網(wǎng)絡(luò)走線圖如圖9所示。

對(duì)天線陣列進(jìn)行仿真，可以得到天線的仿真方向圖及交叉極化方向圖特性。

圖10　天線8×8子陣方向圖仿真圖

圖11　天線8×8子陣駐波仿真圖

從圖11看出天線仿真駐波比基本在1.5以下，回波損耗較小。從圖10可以看出天線拼陣后增益及交叉極化隔離度都可以保持良好的性能。

4　測(cè)試結(jié)果

根據(jù)以上設(shè)計(jì)方案，對(duì)天線進(jìn)行了實(shí)物加工。天線采用鋁合金材料，通過(guò)數(shù)控機(jī)床可以實(shí)現(xiàn)高精度加工。天線結(jié)構(gòu)通過(guò)分層設(shè)計(jì)，分層結(jié)構(gòu)件通過(guò)螺釘安裝可以將中間兩層饋電網(wǎng)絡(luò)與結(jié)構(gòu)鋁件緊密貼合，這樣就保證了天線加工產(chǎn)品與實(shí)際模型高度一致。如圖12所示。

圖12　天線陣列實(shí)物圖

對(duì)天線實(shí)物在微波暗室進(jìn)行了駐波測(cè)試及方向圖測(cè)試，結(jié)果見(jiàn)圖13及圖14。

圖13　天線實(shí)測(cè)駐波圖　　　　圖14　天線實(shí)測(cè)方向圖

5　結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了一種高性能Ku喇叭陣列天線的設(shè)計(jì)。首先采用了一種對(duì)傳統(tǒng)波導(dǎo)嗽叭天線進(jìn)行改進(jìn)的辦法，改善了天線口面場(chǎng)分布，從而極大地提高了喇叭天線單元的輻射效率。對(duì)喇叭天線單元采用空氣帶線的饋電方案，該饋線方式具有插損較小的優(yōu)點(diǎn)。對(duì)天線相鄰單元采用180度延遲反相饋電的方法，有效地提高天線的極化隔離度性能。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行了8×8規(guī)模的天線陣列設(shè)計(jì)。從仿真與實(shí)測(cè)結(jié)果可以看出，天線陣列增益、方向圖、交叉隔離度及駐波性能均表現(xiàn)出色。從結(jié)果可以看出，本文設(shè)計(jì)的Ku喇叭陣列性能優(yōu)良，尺寸緊湊，在此基礎(chǔ)上可以靈活地進(jìn)行多種尺寸平板天線的設(shè)計(jì)，能夠滿足各種平板動(dòng)中通天線的迫切需求。

[1]牛傳峰,張瑞東,張德，等. 車載低剖面陣列動(dòng)中通天線設(shè)計(jì)[J].中國(guó)電子科學(xué)研究院學(xué)報(bào),2013，(4)：413-415.

[2]郭嘉儉.動(dòng)中通衛(wèi)星通信系統(tǒng)中的天線問(wèn)題[J].數(shù)字通信世界，2011，(10):66-71．

[3]牛傳峰,杜彪,韓國(guó)棟，等.低輪廓?jiǎng)又型ㄌ炀€[J].中國(guó)電子科學(xué)研究院學(xué)報(bào),2013,8(2)：149-155.

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[6]宋長(zhǎng)宏,吳群,張文靜,等.一種雙扼流槽雙極化低旁瓣陣列天線[J].電波科學(xué)學(xué)報(bào),2013,(5)：857-860.

[7]李麗嫻，胡俊毅，王建中.一種新型C波段輕型低副瓣線陣天線[J].無(wú)線電工程,2014,(10):55-58.

[8]FengKui-sheng，LiNa，MengQing-wei，etc.Aplanararrayantennasystemdesignformobilesitcom.SignalProcessing,CommunicationsandComputing(ICSPCC), 2014:672-675.

DesignofahighefficiencyKuhornarrayantenna

ZHANGRui-dong,NIUChuan-feng

(The 54th Research Institute of CETC, Shijiazhuang Hebei 050081,China)

Kubandshavebecomeamajorworkbandsinsatellitecommunication.Akindofhighefficiencyhornantennaisdesigned,theantennaisfedbyairstriplinewhichhastheadvantageoflowinsertlossandcanreducetheheightoftheantenna.Theadjacentcellsarefedby180degreephaseinversionfeedingmodetoreducethecouplingbetweentheantennapolarizationswhichcanimprovethepolarizationisolationoftheantenna.Theresultshowthattheantennaarraygainefficiencyishigh,theoverallthicknessoftheantennaissmall,andthepolarizationisolationishigh.Itistheidealformofflatplatearrayantenna.

Highefficiency；Lowprofile；Kuband；Flatplatearrayantenna

2016-04-30

張瑞東(1984-)，男，山西運(yùn)城人，工程師，主要研究方向?yàn)樘炀€理論研究，陣列天線設(shè)計(jì)等;

牛傳峰(1976-)，男，山東菏澤人，研究員級(jí)高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)樘炀€理論研究，陣列天線、特種天線設(shè)計(jì)等.

1001-9383(2016)02-0048-06

TN828.5

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