一種Ka頻段高效率圓極化寬角掃描波導(dǎo)縫隙相控陣天線

劉 斌 谷勝明* 孟明霞 史永康 丁克乾徐 磊 楊雨田 陳筠力

①(北京遙測技術(shù)研究所 北京 100076)

②(上海航天技術(shù)研究院 上海 201109)

1 引言

相比常見的微帶和振子天線[1，2]，波導(dǎo)縫隙陣天線兼具高增益、高效率、低損耗、易散熱、功率容量大、惡劣環(huán)境下適應(yīng)能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。結(jié)合使用T/R組件，能夠?qū)崿F(xiàn)1維筆形波束相控掃描，因此在微波毫米波頻段廣泛應(yīng)用于各種載荷SAR和通信系統(tǒng)中[3—6]。

為克服云、雨的干擾，消除因電離層法拉第旋轉(zhuǎn)效應(yīng)引起的極化畸變影響，同時(shí)具備一定的波束捷變能力，星載通信系統(tǒng)和雷達(dá)往往要求天線具有圓極化寬角相控掃描工作的能力。目前，公開報(bào)道的圓極化寬角掃描波導(dǎo)縫隙陣天線文獻(xiàn)較少。文獻(xiàn)[7—9]報(bào)道了幾種加載偶極子和微帶陣列的固定波束圓極化波導(dǎo)縫隙陣天線，介質(zhì)材料的使用增加了天線的損耗，降低了天線在惡劣環(huán)境下的適應(yīng)能力。文獻(xiàn)[10—13]介紹了幾種基于雙縫隙和四縫隙的固定波束圓極化波導(dǎo)縫隙陣天線，由于縫隙尺寸大難以用于寬角掃描。文獻(xiàn)[14]基于雙縫輻射的頻掃圓極化間隙波導(dǎo)縫隙陣天線掃描角范圍僅±15°。文獻(xiàn)[15]介紹了一種加載寄生振子的波導(dǎo)縫隙相控陣天線，應(yīng)用于美國“信使”水星探測，該天線在8.5 GHz±50 MHz頻段能夠?qū)崿F(xiàn)±45°圓極化寬角筆形波束掃描，但該天線結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，掃描角范圍僅90°。文獻(xiàn)[16]提出了一種可加載在波導(dǎo)縫隙陣天線的四脊波導(dǎo)圓極化器，但該圓極化器尺寸大，難以應(yīng)用于寬角相控掃描天線。

本文提出了一種新型小尺寸、低剖面、“f”字型波導(dǎo)縫隙圓極化器，剖面高度僅1/6自由空間波長，可加載在線極化脊波導(dǎo)縫隙線陣上實(shí)現(xiàn)天線圓極化工作。采用設(shè)計(jì)的線陣天線作為陣元，結(jié)合使用Ka頻段16路T組件、Ka功分網(wǎng)絡(luò)、電源和波控器，設(shè)計(jì)、加工并裝配完成了16陣元Ka頻段圓極化脊波導(dǎo)縫隙1 維相控陣天線，可實(shí)現(xiàn)1 維±60°寬角圓極化掃描，從而解決了在空間應(yīng)用中對Ka頻段輕質(zhì)、高效率、圓極化、寬角掃描相控陣天線的需求。本文重點(diǎn)介紹圓極化波導(dǎo)縫隙陣天線的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，關(guān)于相控陣天線內(nèi)部的Ka頻段16路T組件、Ka功分網(wǎng)絡(luò)、電源和波控器的設(shè)計(jì)不在文中詳述。

2 波導(dǎo)縫隙圓極化器的設(shè)計(jì)與分析

如圖1(a)所示，“f”字型波導(dǎo)縫隙右旋圓極化器由“f”字型縫隙和波導(dǎo)耦合腔構(gòu)成。其中，“f”字型縫隙由“一”字型縫隙和倒“Z”字型縫隙正交構(gòu)成。如圖1(b)所示，當(dāng)“f”字型縫隙翻轉(zhuǎn)后，該圓極化器可實(shí)現(xiàn)左旋圓極化。為便于用作波導(dǎo)縫隙線陣天線的圓極化器，“f”字型圓極化器采用如圖1(b)所示橫向縫隙進(jìn)行饋電，饋電縫隙與“一”字型縫隙的夾角為45°。為便于機(jī)械加工，所有縫隙的兩端和波導(dǎo)耦合腔的四角均進(jìn)行倒圓角處理。

如圖1所示，該圓極化器的主要參數(shù)包括波導(dǎo)耦合腔的長度couple_L、寬度couple_W和高度couple_H，“一”字型縫隙的長度pslot-L，倒“Z”字型縫隙的主枝節(jié)長度zslot-mL和分枝節(jié)長度zslot-sL，兩種縫隙的寬度slot-W。當(dāng)圓極化器工作在Ka頻段時(shí)，為減輕重量，兩種縫隙和波導(dǎo)耦合腔的厚度即couple_H和fsolt_H均設(shè)計(jì)為λ0/12，因此“f”字型圓極化器的總厚度僅為λ0/6，其中λ0為圓極化器工作中心頻率下對應(yīng)的自由空間波長。

圖1 “f”字型波導(dǎo)縫隙圓極化器波導(dǎo)空腔示意圖

對于如圖1(a)所示縫隙饋電“f”字型波導(dǎo)圓極化器的輻射電場，可等效為如圖2所示兩個(gè)饋電縫隙分別采用等幅同相的X極化和Y 極化電場進(jìn)行饋電所獲取的輻射電場矢量疊加。采用商業(yè)電磁仿真軟件ANSYS HFSS分別對圖2所示兩種極化電場饋電的“f”字型圓極化器進(jìn)行仿真，得到如圖2(a)和圖2(b)所示口面電場分布，同時(shí)可以得到如圖2(c)和圖2(d)所示R=200 mm處遠(yuǎn)場X極化和Y 極化輻射電場的幅度方向圖，如圖2(e)所示兩種主極化輻射電場的相位方向圖。從圖2中可知，X(或Y )極化電場饋電“f”字型圓極化器時(shí)，主輻射電場也呈現(xiàn)出相同極化；且X極化電場饋電獲取的X極化輻射電場與Y 極化電場饋電獲取的Y 極化輻射電場相位差90°，即“f”字型圓極化器對兩種正交極化饋電呈現(xiàn)出不同的等效傳播常數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)圓極化輻射。

由于“f”字型圓極化器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，難以給出等效傳播常數(shù)的解析表達(dá)式以指導(dǎo)設(shè)計(jì)。因此，采用仿真軟件HFSS對影響軸比的主要參數(shù)couple_L，couple_W， pslot-L， zslot-mL和zslot-sL進(jìn)行了仿真和優(yōu)化，仿真時(shí)縫隙寬度slot-W值設(shè)為0.67λ0?？紤]到波導(dǎo)耦合腔的長度couple_L和寬度couple_W對圓極化器軸比的影響較小，本文不再詳細(xì)給出軸比隨兩種參數(shù)的變化曲線。圖3(a)—圖3(c)分別給出了該圓極化器3 dB軸比帶寬隨參數(shù)pslot-L， zslot-mL和zslot-sL的變化曲線。圖3中可見，3種參數(shù)對軸比值的影響均較大；相比受zslot-mL值的影響，軸比對pslot-L和zslot-sL參數(shù)的變化更敏感；從圖3中可知，新型“f”字型圓極化的3 dB軸比帶寬約為2.4%。

圖2 “f”字型波導(dǎo)縫隙圓極化器等效饋電時(shí)獲取的電場分布及遠(yuǎn)場方向圖

圖3 “f”字型波導(dǎo)圓極化器軸比仿真曲線

3 圓極化波導(dǎo)縫隙線陣陣元設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)相控陣天線沿Y軸1維±60°寬角掃描，陣元采用如圖4(a)所示線極化脊波導(dǎo)寬邊縱向縫隙駐波線陣加載圓極化器的天線形式。為避免出現(xiàn)柵瓣，線陣陣元之間的間隔應(yīng)滿足dx≤λmin/(1+sin θmax)的要求，式中λmin為相控陣天線的最小工作波長，θmax為天線最大波束掃描角度。由于天線窄頻帶工作， dx可選取為0.5λ0。考慮到金屬壁的厚度，脊波導(dǎo)的寬邊尺寸設(shè)計(jì)為0.42λ0。參考文獻(xiàn)[17]，為提高波導(dǎo)縫隙天線口面效率，在波導(dǎo)縱向輻射縫隙上加載矩形輻射腔，腔體的長度和寬度分別為cav_L和cav_W。為降低剖面高度，輻射腔的厚度cav_d設(shè)計(jì)為0.83λ0。相鄰矩形輻射腔的間距dis_cav等于縱向縫隙間距，即脊波導(dǎo)半個(gè)波導(dǎo)波長λg/2。綜合考慮脊波導(dǎo)寬邊縱向縫隙天線的口面效率和結(jié)構(gòu)限制，cav_W值設(shè)計(jì)為0.42λ0，cav_L值設(shè)計(jì)為0.64λ0， dis_cav值設(shè)計(jì)為0.72λ0。為實(shí)現(xiàn)上述線極化線陣陣元圓極化工作，如圖4(b)所示，在每一對縱向縫隙和輻射腔之間加載2.1節(jié)所述“f”字型波導(dǎo)圓極化器，其中縱向縫隙作為圓極化器的饋電縫隙。

圖4 脊波導(dǎo)寬邊縱向縫隙駐波線陣天線空腔示意圖

對于波導(dǎo)縫隙駐波線陣天線，縱向縫隙的數(shù)量越多，天線的阻抗和軸比帶寬越窄。為實(shí)現(xiàn)高增益工作，線陣天線采用脊波導(dǎo)一分四功分級聯(lián)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行饋電，并通過中心饋電的方式增大天線帶寬，以降低波導(dǎo)縫隙天線Ka頻段工作時(shí)對加工精度的要求。為降低功分網(wǎng)絡(luò)的剖面高度，相鄰層的脊波導(dǎo)采用文獻(xiàn)[18]所述“Z”字型縫隙耦合饋電。圖5所示為HFSS仿真獲得的功分網(wǎng)絡(luò)S參數(shù)仿真曲線，其中端口1為輸入端口，端口2～5為4個(gè)輸出端口。圖5中可見，設(shè)計(jì)的功分網(wǎng)絡(luò)帶內(nèi)反射系數(shù)小于—20 dB，且實(shí)現(xiàn)了4個(gè)端口的等功率分配。圖6所示為圓極化脊波導(dǎo)寬邊縱向縫隙駐波線陣天線在HFSS軟件中的仿真模型，圖6中線陣天線共計(jì)有64個(gè)圓極化波導(dǎo)輻射腔。為展示設(shè)計(jì)的Ka頻段圓極化波導(dǎo)縫隙線陣天線性能，采用先分層機(jī)械加工再真空焊接的工藝完成了16根鋁合金線陣天線的加工，加工完成的線陣天線剖面高度僅1.46λ0，實(shí)物照片如圖7所示。圖7中可見，沿X軸方向共計(jì)有16根圓極化脊波導(dǎo)縫隙線陣天線，由于兩根線陣天線之間的間距為0.5λ0，因此天線輻射口面寬度為8λ0。考慮到每根線陣天線均包括64個(gè)間距為0.72λ0的圓極化波導(dǎo)輻射腔，故天線輻射口面長度為46.08λ0。

采用Keysight矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀N5224A對單根線陣天線陣元的駐波比進(jìn)行測試，實(shí)測和仿真駐波比曲線如圖8所示，圖8中可見工作頻段內(nèi)仿真和實(shí)測駐波比均小于2，且實(shí)測值與仿真值一致性較好。由于Ka波段圓極化波導(dǎo)縫隙駐波線陣天線陣元沿X軸方向?qū)挾葍H0.5λ0，沿Y 軸方向長度為46.08λ0，因此該線陣陣元具有沿 φ=0°切面寬波束輻射，沿 φ=90°切面窄波束輻射的特性。為進(jìn)行波束性能驗(yàn)證，圖9分別給出了采用HFSS仿真軟件和遠(yuǎn)場暗室測試得到的單根線陣天線在工作頻點(diǎn)f0處的歸一化增益和軸比方向圖。從圖9中可知，仿真軸比值為2.3 dB，實(shí)測軸比值為2.7 dB，兩者的一致性較好；仿真得到的 φ=0°切面3 dB波束寬度為85.4°，實(shí)測值為101.4°且實(shí)測曲線出現(xiàn)了上下起伏的波紋，這主要是由寬波束方向鄰近陣元的互耦效應(yīng)引起的；φ =90°切面實(shí)測歸一化增益曲線與仿真結(jié)果吻合得較好，仿真與實(shí)測副瓣電平值分別—13.4 dB和—12.9 dB， 3 dB波束寬度均為1.2°。

圖5 脊波導(dǎo)功分網(wǎng)絡(luò)S參數(shù)仿真曲線

圖6 線陣天線HFSS仿真模型

4 Ka波導(dǎo)縫隙相控陣天線仿真和實(shí)測結(jié)果

為實(shí)現(xiàn)1維相控掃描，采用加工的16根波導(dǎo)縫隙線陣作為輻射陣面，將研制完成的Ka頻段16路T組件、Ka功分網(wǎng)絡(luò)、電源和波控器裝配在輻射陣面背部，從而構(gòu)成1維圓極化脊波導(dǎo)縫隙相控陣天線，該相控陣天線可沿圖7所示 φ=0°切面進(jìn)行空間窄波束合成，并通過控制T組件輸出相位實(shí)現(xiàn)沿φ=0°切面1維相控掃描。為獲取相控波束掃描特性，采用HFSS仿真軟件對該相控陣天線進(jìn)行全陣列建模仿真，得到如圖10所示不同掃描角度時(shí)的增益曲線和如表1所示不同掃描角度時(shí)的軸比值。如圖11所示，采用基于Keysight矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀5224A構(gòu)建的平面近場暗室對研制完成的圓極化脊波導(dǎo)縫隙相控陣天線進(jìn)行測試，可得到如圖10和表1所示不同掃描角度時(shí)的增益曲線和軸比值。從圖10可知，研制完成的16陣元Ka頻段圓極化脊波導(dǎo)縫隙相控陣天線可實(shí)現(xiàn)1維±60°寬角掃描；在掃描角范圍內(nèi)，實(shí)測增益和仿真值吻合得較好；0°掃描角時(shí)，實(shí)測增益值為35.9 dB， ±60°掃描角實(shí)測增益分別為31.9 dB和31.6 dB，相比0°掃描角增益下降僅4.3dB。根據(jù)口面天線增益計(jì)算公式Gain=10lg(4πηLW/)，式中η 為天線輻射效率，L=46.08λ0， W=8λ0分別為天線輻射口面長度和寬度，計(jì)算可得0°掃描角時(shí)該相控陣天線的輻射效率η接近85%。

圖7 Ka波段圓極化波導(dǎo)縫隙線陣天線實(shí)物照片

從表1可知，在掃描角范圍內(nèi)仿真軸比值均小于3.4 dB，實(shí)測軸比值均小于4.1 dB。相比仿真值，所有掃描角度下的實(shí)測軸比均有所惡化，主要原因是波導(dǎo)縫隙圓極化器的加工誤差。從圖3可知，“f”字型波導(dǎo)圓極化器帶寬較窄，且對參數(shù)pslot-L和zslot-sL敏感，特別是在Ka頻段對加工誤差更加敏感。此外，軸比的惡化還與線陣陣元之間的互耦有關(guān)，互耦產(chǎn)生的表面波效應(yīng)一定程度上導(dǎo)致軸比的惡化。

圖8 圓極化波導(dǎo)縫隙線陣仿真和實(shí)測駐波比

圖9 圓極化波導(dǎo)縫隙線陣天線歸一化增益和軸比仿真與測試曲線

圖10 相控陣天線f0頻點(diǎn)處的仿真與實(shí)測增益曲線

表1 圓極化波導(dǎo)縫隙相控陣天線f0頻點(diǎn)處的仿真與實(shí)測軸比值

圖11 相控陣天線在平面近場暗室中的測試照片

5 結(jié)論

本文提出了一種新型低剖面、“f”字型波導(dǎo)縫隙圓極化器，剖面高度僅1/6工作波長，寬度約2/5工作波長。采用該圓極化器結(jié)合脊波導(dǎo)駐波縫隙線陣天線，設(shè)計(jì)、仿真、加工并實(shí)現(xiàn)了一種實(shí)測性能指標(biāo)優(yōu)異的Ka波段圓極化寬角掃描相控陣天線，能夠?qū)崿F(xiàn)1維±60°寬角相控掃描。在掃描角范圍內(nèi)，相控陣天線的軸比均小于4.1 dB，增益下降小于4.3 dB。在0°掃描角工作時(shí)，相控陣天線實(shí)測增益為35.9 dBi，輻射效率接近85%。當(dāng)結(jié)合使用1維伺服機(jī)構(gòu)時(shí)，通過1維波束機(jī)械掃描疊加1維波束相控掃描的方式，本相控陣天線可實(shí)現(xiàn)2維波束寬角掃描。相比傳統(tǒng)雙伺服驅(qū)動的2維波束掃描反射面天線，不僅能夠節(jié)省1維伺服機(jī)構(gòu)，還具有更加靈活的波束掃描工作模式；相比2維寬角掃描相控陣天線，能夠大量減少T/R組件的數(shù)量，降低天線的成本和復(fù)雜度。此外，全金屬結(jié)構(gòu)的圓極化寬角掃描波導(dǎo)縫隙相控陣天線還具有惡劣環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，在星載通信和雷達(dá)系統(tǒng)中具有重要的應(yīng)用價(jià)值。