一種雙頻多極化共口徑波導天線陣列

魯加國，張洪濤，汪 偉，張 冰，尹應增

(1.西安電子科技大學 電子工程學院，陜西 西安 710071；2.中國電子科技集團公司 第三十八研究所，安徽 合肥 230088)

在現(xiàn)代無線和電子系統(tǒng)中，雙極化或多極化的多波段共口徑天線陣越來越受到人們的青睞。但眾所周知，由于陣列的輻射性能主要受其口徑大小的限制，天線陣列的體積和重量很難降低[1]?？紤]到這一“缺點”，研究者們致力于在一個系統(tǒng)的有限空間內(nèi)集成多個系統(tǒng)功能。因此，在實際應用中，尤其是在雷達和衛(wèi)星通信應用中，開發(fā)高集成度共口徑天線陣列的解決方案更為可取。

在已經(jīng)發(fā)表的文獻中，最早報道的多波段集成天線由波導縫隙平面陣列、分隔縫隙陣列和介質桿天線組成，可以滿足許多復雜雷達系統(tǒng)的要求[2]。隨后的研究主要集中在反射面天線和平面天線陣列上，其中對反射面天線中的多波段雙極化饋電喇叭的研究投入了大量的精力[3-8]。在文獻[9]中，工作在高頻段的波導陣列在低頻段同軸陣列內(nèi)交錯排列，能夠實現(xiàn)用于電子束掃描應用的多波段和多極化陣列。這些報道中的多波段和多極化平面天線陣列通常用于雷達應用，特別是合成孔徑雷達(SAR)[10]。另一方面，基于印刷電路板(PCB)的天線是通過使用“窗口概念”實現(xiàn)多波段共口徑輻射的另一個首選解決方案，即在低頻段貼片輻射片上切割“窗口”以容納高頻段貼片天線[11-13]。文獻[14]中提出了一種共口徑的雙極化微帶天線陣列，其工作在L、S和X 這3個波段。S和X波段天線為微帶貼片天線，L波段天線為印刷偶極子天線。雖然采用印刷電路板技術實現(xiàn)的天線為多天線組裝提供了更大的便利，但也不能忽視其效率低、相鄰頻帶間的互耦以及多層基板的制造誤差等缺點。

顯然，對于某些特定情況，如機載或星載陣列，天線陣列應具有較高的輻射效率和堅固的結構。天線元件應首先與饋電網(wǎng)絡結合，然后與有源模塊(T/R模塊)端接。為了獲得更高的增益，在設計天線陣列時必須考慮饋電網(wǎng)的插入損耗。波導縫隙天線陣在滿足這些特殊要求方面表現(xiàn)出了優(yōu)異的性能。雖然波導縫隙陣列具有低損耗、結構堅固和良好的導熱性能，但由于波導腔體積較大，很難在一個口徑內(nèi)構建多個波導天線。此外，報道的大多數(shù)工作利用兩個天線共用相同的輻射孔徑，例如雙極化縫隙波導天線陣列[15-17]。文獻[18]中報道了一種在Ku和Ka雙頻段工作的共口徑波導縫隙天線陣列，采用脊波導寬邊縱向偏置縫隙天線實現(xiàn)單一極化工作。文獻[19]中報道了一種雙頻雙極化天線陣列，水平極化(HP)為波導窄邊傾斜縫隙天線，工作在35 GHz；垂直極化(VP)為脊波導寬邊縱向偏置縫隙天線，工作在30 GHz。此外，文獻[20]中提出了L波段雙極化和X波段單極化天線陣列，但后者的口徑效率較低(約66.9%)。2020年，文獻[21]報道了一種雙頻雙極化波導縫隙天線，其C波段雙極化陣列的結構與文獻[17]相似，但由于采用多脊腔設計，其L波段陣列體積較大。

筆者提出了一種高效的雙頻多極化共口徑波導天線陣列結構，可實現(xiàn)L波段垂直極化和C波段雙極化共口徑工作。這種結構采用4×16規(guī)模的C波段雙極化線陣和2×2規(guī)模的L波段垂直極化線陣組成了整個天線陣列。筆者對整個陣列進行了分析和實驗驗證。

1 天線陣列結構

如圖1所示，所提出的雙頻多極化(DBMP)天線陣列由4對工作在C波段的雙極化線陣(子陣)和兩個L波段線陣(子陣)組成。整個陣列的尺寸為736 mm(Ml)×154 mm(Mw)×52 mm(Mh)。圖1(b)給出了天線陣列的橫截面圖。C波段垂直極化子陣列由一個中心探針饋電脊波導構成，該脊波導具有16個偏置縱向縫隙，而C波段水平極化子陣列同樣由一個中心探針饋電脊波導構成，該脊波導具有16個由成對膜片激勵的橫向縫隙[22]。C波段水平極化子陣位于垂直極化子陣上方約1/4波長處。L波段垂直極化子陣是背腔縫隙天線，通過金屬橋實現(xiàn)中心同軸饋電，如圖1(c)所示。L波段波導腔體位于C波段水平極化波導腔體下方和兩個相鄰C波段垂直極化波導腔體之間。C波段線陣的間距取決于最大波束掃描角的具體要求。與文獻[17]相比，C波段水平和垂直極化波導天線的寬度進一步減小。此外，相鄰C波段雙極化波導腔體之間的間隙為L波段輻射縫隙提供空間，如圖1(d)所示。L波段波導腔體的寬度與相鄰C波段垂直極化波導天線的兩個面對面壁之間的距離相同。

(a) 三維圖

(b) 橫截面

(c) 剖面圖(L波段空腔及其金屬橋饋電結構，包括3個C波段水平極化子陣和兩個C波段垂直極化子陣)

(d) 頂視圖

表1給出了天線陣列的參數(shù)數(shù)值。

表1 天線陣列參數(shù)數(shù)值 mm

2 天線陣列的設計與分析

波導天線陣列一般是子陣式諧振陣，由波導功分器對各個異形波導縫隙天線子陣激勵饋電。筆者首先研究饋電異形波導功分器和異形波導縫隙天線的構型、高效率激勵模式匹配問題。波導結構實現(xiàn)波導縫隙天線多波段和多極化共口徑，是將不同形狀波導在一個物理口徑上進行嵌套或者疊加。其次研究天線輻射遠場和波導內(nèi)場在天線口徑上的模式匹配問題，實現(xiàn)不同極化、不同波段之間的高隔離度和高效率輻射。最后，波導天線陣列與多種無源和有源功能模塊高密度集成，重點研究天線陣列系統(tǒng)與機電熱相關的多物理場匹配問題，實現(xiàn)天線陣列內(nèi)部高低頻、大功率傳輸下的高密度互連[23]。

2.1 L波段垂直極化子陣

筆者所設計的L波段垂直極化子陣列的幾何結構如圖1(c)所示，它包括兩個矩形波導腔和4個帶有兩個同軸探針饋電端口的縱向縫隙。根據(jù)x方向波束掃描范圍，首先確定C波段天線x方向間距Cdx=38.5 mm；然后根據(jù)脊波導主模傳輸截止頻率和工程可實現(xiàn)性，確定C波段雙極化天線的脊波導尺寸。為了抑制柵瓣，C波段天線y方向相鄰縫隙間距小于最高工作波長，這里取Cdy=46 mm。同時，考慮到在雙波段工作的共口徑結構限制，L波段矩形波導腔體寬度LWw(16.2 mm)受相鄰C波段垂直極化波導天線空間的限制。為了減小腔體尺寸，實現(xiàn)L波段的諧振工作，在矩形波導腔體里設計了饋電金屬橋，此時矩形腔體高度LWh(36.1 mm)約為λ/6，其中λ是自由空間中低頻波長。由于L波段和C波段的頻率比為1∶4，所以L波段相鄰輻射縫隙的間距取Ldy=4Cdy=184 mm，腔體長度LWl(356.5 mm)約為輻射縫隙間距的兩倍。此外，影響阻抗帶寬的縱向縫隙的寬度(LSw=2.8 mm)受相鄰C波段垂直極化波導和水平極化波導之間間距的限制?？v向縫隙的長度約為0.58λ(LSl=145 mm)，實現(xiàn)諧振工作。在實際應用中，L波段子陣經(jīng)功率分配器合成后，由T/R模塊饋電。

2.2 C波段雙極化子陣

如前所述，該雙頻多極化天線陣列具有4對C波段雙極化波導縫隙天線子陣。水平極化子陣由膜片激勵橫向縫隙脊波導陣列實現(xiàn)，該陣列具有出色的極化純度[24]。垂直極化子陣是通過配置偏置縱向縫隙脊波導陣列實現(xiàn)的。為確保x方向最大波束掃描角為20°，兩個相鄰C波段水平極化子陣或垂直極化子陣的間距(Cdy)選擇為38.5 mm。水平極化波導天線和垂直極化波導天線的寬度應盡可能壓縮，以便為L波段子陣列的波導腔和輻射縫隙留出足夠的空間。為了獲得緊湊的尺寸和輕量化，采用了具有中心同軸饋電的十六單元波導線陣。水平極化脊波導天線的尺寸為13 mm×12.6 mm(CHWh×CHWw)，垂直極化脊波導天線的尺寸為13.1 mm×14.7 mm(CVWh×CVWw)。

3 天線陣列的測試與分析

對所提出的雙頻多極化共口徑波導天線模型進行了加工和測試。利用分層精密加工和多層真空釬焊技術，使該天線陣列樣機的重量僅為1.58 kg，實物圖如圖2所示。在微波暗室采用矢量網(wǎng)絡分析儀進行了天線端口駐波的測試，采用平面近場進行了天線方向圖和增益的測試。

(a) 正面

(b) 背面

L波段子陣的測量結果如圖3所示。

(a) 電壓駐波比

從圖3中可以看出，測試結果向高頻偏移。這是因為天線采用多層零件機械加工和真空釬焊焊接成形，成形后的腔體尺寸比理論值偏小，導致駐波測試結果往高頻偏移。無論是電壓駐波比的仿真結果還是測試結果，都表明該L波段天線電壓駐波比小于2的相對阻抗帶寬約為12%。利用功分器測試了天線的輻射方向圖，研究發(fā)現(xiàn)，在工作頻帶內(nèi)，測量的主極化電平幾乎保持不變，在均勻激勵下表現(xiàn)出良好的輻射性能。此外，主波束內(nèi)交叉極化電平比主極化電平低約35 dB。實測結果表明該L波段天線帶內(nèi)增益為9.6～10.2 dBi。

圖4為C波段雙極化天線的測試結果。由于受加工誤差和多層焊接誤差的影響，駐波測試結果比仿真結果稍大。但是無論仿真結果還是測試結果，在工作頻段內(nèi)雙極化天線的端口駐波都小于2。由方向圖測試結果可以看出，C波段雙極化波導縫隙天線具有良好的極化純度，在主波束內(nèi)雙極化天線的遠場交叉極化小于-40 dB，帶內(nèi)增益為25.9～26.2 dBi。

為了說明筆者所設計天線的優(yōu)勢，表2給出了與其他相關文獻的比較結果。與文獻[17]相比，本雙波段多極化共口徑波導天線頻率差距大，交叉極化電平低，天線效率高；與文獻[18]相比，本雙波段多極化共口徑波導天線為多極化工作，工作帶寬寬；與文獻[19]相比，本雙波段多極化共口徑波導天線工作帶寬寬，交叉極化電平低，隔離度高，天線效率高；與文獻[20]相比，本雙波段多極化共口徑波導天線工作帶寬寬，交叉極化電平低，剖面低，重量輕。

(a) 水平極化子陣的電壓駐波比

(c) xz面水平極化子陣的方向圖

(e) xz面垂直極化子陣的方向圖

表2 筆者設計的天線與相關工作的對比

4 總 結

筆者設計了一種新型的基于波導結構的高效雙頻段多極化共孔徑陣列天線。在矩形波導內(nèi)采用電探針耦合結構給波導縫隙天線饋電，通過引入金屬橋改變矩形波導的諧振頻率，減小波導腔的尺寸，實現(xiàn)L波段波導縫隙天線的小型化。C波段雙極化波導縫隙天線通過采用脊波導結構，壓縮了波導橫截面的尺寸，為L波段的波導腔體和輻射縫隙留下足夠空間，實現(xiàn)了雙頻段多極化共口徑和天線的低剖面高度及輕重量。該雙頻段雙極化共口徑波導縫隙陣列天線具有效率高、極化純度好、雙頻段隔離度高等優(yōu)點。設計并加工了工作于C波段8×16雙極化天線和L波段2×2垂直極化天線的共口徑波導縫隙陣列。仿真和測試結果表明，該L/C雙頻段多極化共口徑陣列天線帶寬分別優(yōu)于約12%和5.5%，遠場交叉極化分別優(yōu)于約-36 dB和 -40 dB，隔離度分別優(yōu)于約36 dB和66 dB，天線效率分別優(yōu)于約88%和85%。該天線結構簡單緊湊，可以滿足一些高功率、高增益、低剖面的場合需求。同時，基于波導結構的雙頻段多極化共口徑天線設計也為高效率、高可靠的多頻段、多極化共口徑天線提供了一種新的實現(xiàn)途徑。