一種寬帶緊湊高可靠性Ku 波段波導(dǎo)陣列天線的研制

尹經(jīng)禪

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十九研究所，四川成都，610036）

0 引言

近年來(lái)，在大量涌現(xiàn)的實(shí)際需求的牽引下，通信[1]、導(dǎo)航、雷達(dá)[2]、敵我識(shí)別等領(lǐng)域的電磁信息技術(shù)有了突飛猛進(jìn)的發(fā)展。在所有這些電磁信息領(lǐng)域中，都離不開(kāi)一類(lèi)共同的物理部件——傳感器，即天線。天線作為電磁信息的收發(fā)最前端，直接將電磁信號(hào)能量輻射到空間或從空間接收電磁信號(hào)能量，天線的性能決定了其不同的應(yīng)用領(lǐng)域，應(yīng)用的多樣性導(dǎo)致了種類(lèi)繁多的天線形式，如通信天線[3]、衛(wèi)星導(dǎo)航天線[4]、雷達(dá)天線[5]等；從天線規(guī)模上看有單天線和陣列天線；從收發(fā)信號(hào)帶寬上看有窄帶天線和寬帶天線[6]；從制作材料上看有微帶天線[7]、振子天線、喇叭天線[8]、拋物面天線等；從工作波段上看有S[9]、L[10]、C、X、Ku、K、Ka 等波段天線。在眾多天線形式中，本文著眼于寬帶、高可靠性的性能需求，研制了一套寬帶緊湊高可靠性Ku 波段波導(dǎo)陣列天線。該天線結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，采用純金屬材料依靠機(jī)加工制作，可靠性高，不易出現(xiàn)損壞或故障。由于采用波導(dǎo)組陣實(shí)現(xiàn)，因而具有大于2GHz 的寬帶特性，同時(shí)具有大于22dB 的天線增益。研制的天線實(shí)物經(jīng)實(shí)際測(cè)試，具有良好的電性能，符合設(shè)計(jì)指標(biāo)。該天線的研制為通信等領(lǐng)域的寬帶高可靠性低成本天線應(yīng)用提供了一套有益的解決方案。

1 天線的設(shè)計(jì)

研制的天線工作于Ku 波段，其射頻接口為SMA。該天線主要用途是實(shí)現(xiàn)Ku 波段信號(hào)的收發(fā)功能。天線主要由天線面板、功率合成網(wǎng)絡(luò)和波導(dǎo)同軸轉(zhuǎn)換器組成，如表1 所示。

表1 天線組成

天線的組成框圖如圖1 所示。整個(gè)天線由16 個(gè)寬帶波導(dǎo)天線單元等間距布陣，形成4×4 的正方形陣列天線，各天線單元由功率合成網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)射頻信號(hào)功率的功分與合成功能，功率合成網(wǎng)絡(luò)接波導(dǎo)同軸轉(zhuǎn)換器，實(shí)現(xiàn)射頻信號(hào)功率由同軸電纜輸入輸出。

圖1 天線組成框圖

具體工作原理如下：在發(fā)射工作狀態(tài)，來(lái)自射頻通道的Ku 波段信號(hào)經(jīng)過(guò)波導(dǎo)同軸轉(zhuǎn)換器送至功率合成網(wǎng)絡(luò)，功率合成網(wǎng)絡(luò)將信號(hào)均分，再送至16 個(gè)圓極化天線單元，通過(guò)陣列的形式發(fā)送至空間；在接收工作狀態(tài)，16 個(gè)圓極化天線單元將空間的Ku 頻段信號(hào)接收，然后送至功率合成網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行波束合成，再經(jīng)過(guò)波導(dǎo)同軸轉(zhuǎn)換器送至射頻通道。

設(shè)計(jì)的天線面板如圖2(a)所示，各天線單元緊湊排列，整個(gè)天線面板由機(jī)加工一體成型，能保證天線的高度可靠性。加上功率合成網(wǎng)絡(luò)的整個(gè)天線結(jié)構(gòu)模型如圖2(b)所示，天線側(cè)面可設(shè)計(jì)成與轉(zhuǎn)臺(tái)或其它不同的機(jī)械接口連接。為防止水汽或其它異物進(jìn)入天線內(nèi)腔體，可在天線面板上面貼一層天線罩膜層材料，既能透波又能起防護(hù)作用。在天線的儲(chǔ)存和搬運(yùn)過(guò)程中，為保護(hù)整個(gè)天線特別是保護(hù)天線罩膜層材料不被損壞，可在天線罩膜層材料外為天線加一個(gè)橡膠材質(zhì)輔助保護(hù)蓋，天線不用時(shí)套上保護(hù)蓋，天線使用時(shí)去掉保護(hù)蓋，加保護(hù)蓋的天線效果圖如圖2(c)所示，圖中側(cè)面為波導(dǎo)同軸轉(zhuǎn)換器的同軸端口。圖2(d)為研制的天線實(shí)物（去掉保護(hù)蓋），天線材料為防銹鋁，能滿足鹽霧、濕熱、霉菌等苛刻環(huán)境要求，并且該材料質(zhì)量小、強(qiáng)度高，具有很好的環(huán)境適應(yīng)性。

圖2 天線設(shè)計(jì)圖與實(shí)物圖

2 天線的測(cè)試

在完成天線的設(shè)計(jì)和實(shí)物研制后，對(duì)其進(jìn)行性能測(cè)試，測(cè)試所用設(shè)備和儀器如表2，性能測(cè)試內(nèi)容包括端口電壓駐波比測(cè)試和暗室中的輻射性能測(cè)試。

表2 測(cè)試用設(shè)備與儀器

端口電壓駐波比測(cè)試框圖如圖3 所示，利用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對(duì)天線端口的電壓駐波比VSWR 進(jìn)行直接測(cè)試，驗(yàn)證實(shí)測(cè)值是否符合設(shè)計(jì)要求。測(cè)試結(jié)果如圖4 所示，在整個(gè)寬頻帶范圍內(nèi)端口電壓駐波比小于1.83，測(cè)試指標(biāo)良好。

圖3 端口電壓駐波比測(cè)試框圖

圖4 端口電壓駐波比測(cè)試結(jié)果

天線輻射性能測(cè)試，選擇滿足計(jì)量要求的微波暗室進(jìn)行，測(cè)試原理示意圖如圖5 所示，其具體步驟為：

(a)建立如圖5 所示的測(cè)試系統(tǒng)，將待測(cè)天線方位面安裝在轉(zhuǎn)臺(tái)上，將被測(cè)天線中心與方位轉(zhuǎn)臺(tái)中心重合，加電預(yù)熱使測(cè)試系統(tǒng)儀器設(shè)備工作正常；

圖5 天線電性能測(cè)試示意圖

(b) 按照測(cè)試要求規(guī)定的頻率測(cè)試點(diǎn)（頻率點(diǎn)：14.5GHz、15GHz、15.5GHz、16GHz、16.5GHz）， 饋 源組件發(fā)射信號(hào)。將發(fā)射天線設(shè)置為垂直極化，通過(guò)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)臺(tái)將發(fā)射天線和待測(cè)天線對(duì)準(zhǔn)，接收信號(hào)電平最大；

(c) 運(yùn)行測(cè)量軟件，設(shè)定待測(cè)天線角度掃描范圍θ=±90°；利用計(jì)算機(jī)自動(dòng)采集網(wǎng)絡(luò)分析儀儀測(cè)量的方向圖數(shù)據(jù)，保存為方位面垂直極化數(shù)據(jù)；

(d)將發(fā)射天線設(shè)置為水平極化，通過(guò)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)臺(tái)將發(fā)射天線和待測(cè)天線對(duì)準(zhǔn)，接收信號(hào)電平最大；

(e) 運(yùn)行測(cè)量軟件，設(shè)定待測(cè)天線角度掃描范圍θ=±90°；利用計(jì)算機(jī)自動(dòng)采集網(wǎng)絡(luò)分析儀儀測(cè)量的方向圖數(shù)據(jù)，保存為方位面水平極化數(shù)據(jù)；

(f)利用軟件對(duì)對(duì)方位面的垂直極化及水平極化進(jìn)行圓極化合成自動(dòng)處理，得到待測(cè)天線的方位面圓極化方向圖特性，并保存為方位面圓極化數(shù)據(jù)。

(g)將待測(cè)天線旋轉(zhuǎn)90°，俯仰面安裝在轉(zhuǎn)臺(tái)上；

(h) 按照測(cè)試要求規(guī)定的頻率測(cè)試點(diǎn)（頻率點(diǎn)：14.5GHz、15GHz、15.5GHz、16GHz、16.5GHz）， 饋 源組件發(fā)射信號(hào)。將發(fā)射天線設(shè)置為垂直極化，通過(guò)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)臺(tái)將發(fā)射天線和待測(cè)天線對(duì)準(zhǔn)，接收信號(hào)電平最大；

(i) 運(yùn)行測(cè)量軟件，設(shè)定待測(cè)天線角度掃描范圍θ=±90°；利用計(jì)算機(jī)自動(dòng)采集網(wǎng)絡(luò)分析儀儀測(cè)量的方向圖數(shù)據(jù)，并保存為俯仰面垂直極化數(shù)據(jù)；

(j)將發(fā)射天線設(shè)置為水平極化，通過(guò)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)臺(tái)將發(fā)射天線和待測(cè)天線對(duì)準(zhǔn)，接收信號(hào)電平最大；

(k) 運(yùn)行測(cè)量軟件，設(shè)定待測(cè)天線角度掃描范圍θ=±90°；利用計(jì)算機(jī)自動(dòng)采集網(wǎng)絡(luò)分析儀儀測(cè)量的方向圖數(shù)據(jù)，并保存為俯仰面水平極化數(shù)據(jù)；

(l)利用軟件對(duì)對(duì)俯仰面的垂直極化及水平極化進(jìn)行圓極化合成自動(dòng)處理，得到待測(cè)天線的俯仰面圓極化方向圖特性，并保存為俯仰面圓極化數(shù)據(jù)。

利用測(cè)試軟件對(duì)天線的方位面、俯仰面圓極化數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和統(tǒng)計(jì)，得到天線方向圖的工作頻段、天線波束寬度、極化方式、圓極化軸比等性能，并記錄下來(lái)。

天線增益測(cè)試采用增益對(duì)比法進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試步驟如下所示：

(a)將待測(cè)天線取下，換上標(biāo)準(zhǔn)增益喇叭天線，并將發(fā)射天線和標(biāo)準(zhǔn)增益天線都設(shè)置為垂直極化。按照測(cè)試要求規(guī)定的頻率測(cè)試點(diǎn)（頻率點(diǎn)：14.5GHz、15GHz、15.5GHz、16GHz、16.5GHz），饋源組件發(fā)射信號(hào)。將發(fā)射天線與標(biāo)準(zhǔn)增益天線對(duì)準(zhǔn)后，設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)增益天線角度掃描范圍θ=±10°，記錄最大電平值P0v；

(b)將發(fā)射天線與標(biāo)準(zhǔn)增益天線都設(shè)置為水平極化，按照測(cè)試要求規(guī)定的頻率測(cè)試點(diǎn)（頻率點(diǎn)：14.5GHz、15GHz、15.5GHz、16GHz、16.5GHz），饋源組件發(fā)射信號(hào)。將發(fā)射天線與標(biāo)準(zhǔn)增益天線對(duì)準(zhǔn)后，設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)增益天線角度掃描范圍θ=±10°，記錄最大電平值P0h；

(c)將測(cè)試到水平極化、垂直極化方向圖通過(guò)測(cè)試軟件合成圓極化方向圖，并記錄最大值Pc。

(d)通過(guò)公式：

求到待測(cè)天線增益G。

式(1)、(2)中：G0：標(biāo)準(zhǔn)天線增益；P0v：標(biāo)準(zhǔn)增益天線垂直極化最大電平；P0h：標(biāo)準(zhǔn)增益天線水平極化最大電平；Pc：待測(cè)天線合成圓極化最大電平；G：待測(cè)天線圓極化增益。

通過(guò)上述公式，即可計(jì)算出天線的增益。

天線在方位面的方向圖測(cè)試結(jié)果如圖6 所示，給出了典型頻點(diǎn)的歸一化方向圖。天線在俯仰面的方向圖測(cè)試結(jié)果如圖7 所示，同樣給出了典型頻點(diǎn)的歸一化方向圖。

根據(jù)圖6 和圖7 的天線方向圖測(cè)試結(jié)果和增益測(cè)試情況，可得出天線各項(xiàng)性能良好，在2GHz 的寬帶范圍內(nèi)具有大于22dB 的天線增益。

圖6 天線方向圖測(cè)試結(jié)果（方位面）

圖7 天線方向圖測(cè)試結(jié)果（俯仰面）

3 結(jié)論

研制了一套寬帶緊湊高可靠性Ku 波段波導(dǎo)陣列天線，該天線由16 個(gè)寬帶波導(dǎo)天線單元組陣實(shí)現(xiàn)。經(jīng)過(guò)性能測(cè)試，發(fā)現(xiàn)測(cè)試數(shù)據(jù)良好。該天線采用純金屬材料依靠機(jī)加工制作，保證了極高的可靠性；利用波導(dǎo)組陣實(shí)現(xiàn)，具有很好的寬帶特性，同時(shí)具有很好的功率耐受能力。在要求寬帶高可靠性和較高增益的應(yīng)用場(chǎng)合，該天線給出了一個(gè)有效的解決方案，可供選擇參考。