Ku頻段全金屬圓極化平板天線設(shè)計

吳守天， 鄭 治， 鄭雨陽

(天地信息網(wǎng)絡(luò)研究院(安徽)有限公司， 安徽合肥 230088)

0 引 言

隨著現(xiàn)代雷達、衛(wèi)星通信的飛速發(fā)展，電磁頻譜資源越來越緊張，在廣泛使用的微波頻段低端，電磁干擾也越來越嚴重，因此電子信息系統(tǒng)的工作頻段不斷向Ku、Ka等較高頻段發(fā)展。Ku頻段無線通信系統(tǒng)具有很多優(yōu)點，如具有全天候、大容量、雙向?qū)崟r性、任意地形、任意氣象條件下不間斷傳輸信號的特點，成為通信領(lǐng)域最具發(fā)展前途的方向之一[1]。

天線作為通信和雷達等電子信息系統(tǒng)的前端，對系統(tǒng)性能有著至關(guān)重要的影響。隨著波束覆蓋范圍的擴大，以及對高速目標在各種極化方式和氣候條件下跟蹤測量的需要，單一線極化方式已遠難滿足要求[2]，圓極化天線能降低多徑效應(yīng)導(dǎo)致的時延擴散，降低碼間串擾，減少電離層引起的法拉第旋轉(zhuǎn)效應(yīng)和極化失配導(dǎo)致的極化損耗，同時收發(fā)天線之間的相對位置可以更加靈活，被廣泛應(yīng)用于通信、雷達、電子對抗、遙測遙感、天文及電視廣播等領(lǐng)域。

目前，應(yīng)用比較廣泛的Ku頻段圓極化天線有微帶貼片天線、波導(dǎo)縫隙天線、喇叭天線等[3-6]。微帶貼片天線在尺寸、成本、極化實現(xiàn)方面有一定優(yōu)勢，且易于組陣、集成與共形，但由于在 Ku頻段損耗包括介質(zhì)損耗、歐姆損耗、輻射損耗等比較大，難以實現(xiàn)高天線效率；波導(dǎo)縫隙天線具有效率高、結(jié)構(gòu)緊湊、機械強度高等特性，但局限于天線體制，組陣后無法實現(xiàn)兩維寬角掃描；喇叭天線屬于行波天線，工作帶寬較寬，定向性強，但剖面高體積大的缺點無法滿足新一代高速移動平臺的要求。

為了獲得高效率高增益的圓極化輻射性能，兼顧低剖面、強應(yīng)力的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢，金屬平板天線是較佳的選擇。文獻[7]介紹了一種全波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的雙極化平板天線，采用分子擴散焊工藝加工，實現(xiàn)了雙線極化的陣列構(gòu)成，該天線輻射單元為十字槽，縫隙耦合饋電，天線工作帶寬為11%；這種全波導(dǎo)陣列天線由于沒有介質(zhì)損耗，總效率很高，整個頻段內(nèi)大于70%，然而文章并沒有給出圓極化的合成方式和預(yù)估性能。文獻[8]設(shè)計一種16×16元高增益雙圓極化平板天線，使用具有寬頻特性的波導(dǎo)口徑作為輻射單元，通過加載隔板來實現(xiàn)雙圓極化。天線工作帶寬大于 16%，工作頻帶內(nèi)效率大于60%。這種全波導(dǎo)雙圓極化天線具有寬帶高增益特性，但隔板圓極化器的引入大大增加剖面高度，復(fù)雜的饋電網(wǎng)絡(luò)降低了總效率。

針對現(xiàn)有全金屬平板天線存在的問題，本文提出一種結(jié)構(gòu)緊湊、材料單一、易于集成的全金屬圓極化平板天線。該天線工作于Ku頻段，由多層金屬波導(dǎo)腔體一體化加工而成，加工難度低，環(huán)境適應(yīng)性高，采用直接在輻射層實現(xiàn)圓極化的方式，降低了天線的剖面，具有高效率、高可靠性、高機械強度等優(yōu)點。

1 天線單元設(shè)計

本文設(shè)計的圓極化平板天線的天線單元結(jié)構(gòu)如圖1所示，該天線由上到下依次為輻射層、諧振層及功分饋電網(wǎng)絡(luò)層，各層皆為波導(dǎo)腔體結(jié)構(gòu)，利用輻射層4×4元斜六邊形開口波導(dǎo)腔直接實現(xiàn)圓極化，通過優(yōu)化諧振層的梅花狀波導(dǎo)腔體及功分饋電網(wǎng)絡(luò)層的輸出端口臺階大小，獲得優(yōu)良的阻抗匹配和圓極化性能。天線整體厚度小于半個波長。

圖1 天線單元三維立體結(jié)構(gòu)示意圖

1.1 輻射層設(shè)計

輻射層結(jié)構(gòu)如圖2所示，采用4×4元呈沿斜45°方向均勻分布的六邊形波導(dǎo)腔體，將饋入的信號分離形成相互正交相差90°的TE10模與TE01模，在輻射面滿足形成圓極化波的條件。相鄰六邊形波導(dǎo)腔體間距dm=12.2 mm，每個六邊形波導(dǎo)腔體的邊長wm=11.5 mm。由于每2×2元六邊形波導(dǎo)腔體對應(yīng)一個諧振層饋電波導(dǎo)，相當于在輻射口面加載金屬柵隔，有效抑制柵瓣，同時提高了口徑效率。

圖2 輻射層平面示意圖

1.2 諧振層設(shè)計

諧振層結(jié)構(gòu)如圖3所示，由調(diào)節(jié)匹配的梅花狀波導(dǎo)腔體和尺寸較小的方形波導(dǎo)腔組成。梅花狀波導(dǎo)腔體的每個邊中點處對稱分布了4個同樣尺寸的膜片，起到阻抗變換和模式變換的作用，大大提高天線的阻抗帶寬，同時容性膜片易激勵起高次模，與主模混合在輻射口徑實現(xiàn)更加均勻的電場分布，提高天線口徑效率。腔體方形波導(dǎo)腔連接底層波導(dǎo)饋電網(wǎng)絡(luò)的功分端口，實現(xiàn)阻抗匹配與能量饋入。為了實現(xiàn)最佳匹配效果，經(jīng)過參數(shù)優(yōu)化后最終得到梅花狀波導(dǎo)腔的膜片長度ma=5.2 mm，寬度mb=1.4 mm，方形波導(dǎo)腔的邊長ms=10.4 mm。

1.3 功分饋電網(wǎng)絡(luò)層設(shè)計

功分饋電網(wǎng)絡(luò)層結(jié)構(gòu)如圖4所示，采用結(jié)構(gòu)緊湊的一分四E面波導(dǎo)功分器，在功分饋電網(wǎng)絡(luò)的功分口設(shè)計了三層臺階改善匹配，每個臺階的長度相同，都為ms=10.4 mm，寬度從上到下依次為mt1=8.2 mm、mt2=6 mm、mt3=5.4 mm，輸入總口為標準波導(dǎo)口。

圖4 功分饋電網(wǎng)絡(luò)層平面示意圖

圖5 天線單元端口駐波的仿真結(jié)果

利用高頻電磁仿真軟件HFSS對所設(shè)計的天線單元進行仿真計算與優(yōu)化，端口駐波的仿真結(jié)果如圖5所示，可以看到，其端口駐波在14.6～18.2 GHz的頻率范圍內(nèi)小于2，相對阻抗帶寬為21.95%；天線在各頻點的法向軸比仿真結(jié)果如圖6所示，可以看出，在15.8～16.7 GHz的頻率范圍內(nèi)軸比小于3 dB，相對軸比帶寬為5.45%。

圖6 天線單元法向軸比帶寬仿真結(jié)果

2 天線組陣及測試

基于已設(shè)計的4×4元圓極化平板天線單元，將其在兩維平行擴展成12×12單元平板天線陣列，擴展后的陣列結(jié)構(gòu)如圖7所示。天線陣列的單元間距為52 mm，采用矩形均勻布陣形式，便于整體加工裝配，易于集成T/R組件。該陣列由純金屬腔體組成，機械強度高，功率容量大，適合作為可拓展模塊應(yīng)用于大規(guī)模相控陣天線系統(tǒng)。

圖7 天線陣列三維立體結(jié)構(gòu)示意圖

12×12單元平板天線陣列的加工實物如圖8所示，采用真空釬焊焊接技術(shù)，精密機械加工一體化成型，加工流程簡單易操作，成品率與可靠性高。

圖8 12×12單元全金屬圓極化平板天線實物圖

在平面近場暗室內(nèi)對平板天線陣中采樣單元的各項電性能指標進行了測試，各個隨機抽樣單元在陣中的分布位置如圖9所示，測試結(jié)果如圖10～圖14所示?？梢钥闯?，8個隨機抽樣單元在工作頻帶內(nèi)有源駐波低于2，帶內(nèi)天線效率大于80%，天線輻射左旋圓極化波，中心頻點波束寬度16.7°，法向的測試軸比低于1 dB，測試結(jié)果與仿真結(jié)果符合較好。

圖9 隨機抽樣單元位置分布示意圖

圖10 陣中隨機采樣單元有源駐波測試結(jié)果

圖11 陣中隨機采樣單元天線效率測試結(jié)果

圖12 單元7中心頻點法向軸比測試結(jié)果

圖13 單元7中心頻點H面方向圖仿真與測試結(jié)果

圖14 單元7中心頻點E面方向圖仿真與測試結(jié)果

3 結(jié)束語

本文介紹了一種工作在Ku頻段的全金屬圓極化平板天線，采用多層波導(dǎo)腔結(jié)構(gòu)，利用4×4元斜六邊形開口波導(dǎo)腔直接實現(xiàn)圓極化，基于4×4元天線單元組成12×12單元天線陣列，分層精密機械加工，真空釬焊焊接成形。對陣中單元進行測試，結(jié)果表明天線輻射左旋圓極化波，工作帶寬內(nèi)有源駐波小于2，軸比低于3 dB，效率高于80%。該平板天線具有高效率、低剖面、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、高功率容量等特點，在新一代雷達、通信系統(tǒng)中具有廣闊的應(yīng)用前景。