一种新型U 频段圆极化介质棒天线

高 初，赖清华，陈 明

(中国电子科技集团公司第三十八研究所，合肥 230088)

0 引言

毫米波成像系统可以获取目标的辐射分布差异特性并产生图像，从而推测对应目标的形状、体积、距离和材料等特性。相关技术在军事领域有侦察、制导、反隐身、探测等应用，在民用领域则有公共安全、医学、遥感等应用［1-2］。从分辨率和溢出损耗两个方面综合考虑，天线应当具有小截面和高增益的特性［3］。因此，靠轴向尺寸而不是截面尺寸获取高增益的介质棒天线受到了研究人员的高度重视。

介质棒天线是一种表面波端射天线，通过合理的设计，可实现窄波束和高增益。该类型的天线还有阵元间互耦弱和宽频带内具有较低的反射损耗、较低的副瓣、较低的交叉极化电平等特点，与喇叭等馈源天线相比可以更小的溢出损耗实现对透镜或者反射面天线的照射。从加工的角度考虑，介质棒电磁性能对几何尺寸变化不敏感，对加工精度要求不高［4］。

现有的圆波导圆极化器主要有两种设计方法:一是在圆波导中插入介质片［5］，二是在圆波导壁上开凹槽或加销钉［6-7］，二者的圆极化性能接近。但是，U波段天线各组成部分的尺寸很小，对加工误差比低频段敏感。考虑到波导机械加工易于保证相关尺寸的精度，且不易变形，在该频段选择圆波导壁上开凹槽形式的圆极化段。

本文设计了一种U波段圆极化介质棒天线。整个天线由同轴矩形波导变换段、矩圆波导变换段、凹槽形式的圆波导极化段和圆形锥削介质棒组成。采用HFSS 优化设计得到了6%的带宽内驻波优于1.5，轴比优于2 dB，3 dB波束宽度约为22°的良好效果。同轴矩形波导变换段和矩圆波导变换段的设计较为常规，以下着重论述圆波导极化段和圆形锥削介质棒。

1 圆极化段的设计

圆极化段的结构如图1所示，由1 段圆波导和8个分布在两条线上的凹槽组成。两条线组成的平面则与入射的TE11模极化方向成45°。经过圆极化段的传播，在圆波导另一侧形成两个正交的模式;二者幅度相等，相位差90°;输出模式所在方向一个在8个凹槽组成的平面，一个与之垂直。

图1 圆极化段示意图

每一个含一对凹槽的圆波导段可以视为一个圆波导与矩形波导正交的四端口器件。根据设计4分支3 dB定向耦合器的方法，每一个凹槽的尺寸可以由耦合关系确定［6］，即

其中，A1为两端2个带凹槽圆波导的散射参数S31，Z1为修正后的两端分支矩形波导的特性阻抗，A2为中心2个带凹槽圆波导的散射参数S31，Z2为修正后的中心分支矩形波导的特性阻抗。修正后的分支矩形波导阻抗Z1和Z2为4分支3 dB定向耦合器的解，使得分支矩形波导在对应频段的中心频率有了理想匹配。

凹槽中心的间距则由圆波导TE11模中心频率波导波长决定［6］，即

以上参数可以通过全波仿真软件如HFSS 求取。优化后，1、4 段长度为1.9 倍圆波导半径，2、3 段长度为1.5 倍圆波导半径。各段宽度均为0.3 倍圆波导半径。1、2 段中心间距和3、4 段中心间距为2.6 倍圆波导半径;2、3 段中心间距为1.9 倍圆波导半径。图2和图3分别是仿真所得的圆极化段的两个正交TE11模式的传输幅度差和传输相位差。

圆波导主模通过圆极化段后得到的两个正交模式的幅度差异不超过0.15 dB，相位差异与90°相比不超过4°。该圆极化段可以作为圆极化天线的激励源。

图2 圆极化段的幅度传输特性

图3 圆极化段的相位传输特性

2 介质棒的设计

介质棒的示意图如图4所示，包括匹配段、安装段和辐射段。

图4 介质棒示意图

圆波导中的激励将沿介质棒轴向传播，大部分向空间辐射，少部分被介质棒终端反射。通过优化辐射段的外形可以减小介质附近束缚的电磁波的能量，增加进入自由空间的电磁波的能量，有效地提升辐射效率。安装段则插入圆波导中，起到固定的作用，同时使产生的表面波在匹配段和辐射段之间传播时产生连续辐射，提高效率。匹配段的形状将影响天线的驻波。

选用介质棒的基模HE11模作为工作模式。为了减小色散对带宽的影响，选用低介电常数的介质材料交联聚苯乙烯(相对介电常数εr为2.53）。为了保证不激励高次模，对介质棒根部的直径有一定的限制［3］，即

天线根部的直径过小会在带宽和副瓣方面带来影响，故选择介质棒根部直径约为λ0。

辐射段的长度决定了天线的波束宽度和增益。过短不能有效汇聚能量，导致增益偏低;过长则发生反向抵消的现象，增益亦有损失。近似的最佳长度为［3］

其中，s为辐射段长度，kx和k0分别为介质中和空气中的波数。

从最佳长度出发，借助HFSS 软件，按照辐射段、安装段、匹配段的顺序逐步优化辐射段的形状，得到一个窄波束的介质棒天线，辐射段长度约为8λ0，如图5所示。

图5 介质棒天线

3 结果及分析

针对第2节中设计得到的介质棒天线，采用HFSS进行了仿真和驻波测试工作。该频段结构尺寸很小，对加工进度要求较高。此外，介质棒材料具有一定的弹性，导致加工中存在细微的偏心现象。端接式波导同轴变换段存在约0.1 mm的极小尺寸，给加工和装配带来了困难。各种误差造成了仿真结果与实测结果的差异。

图6 给出了设计频带内驻波的测试结果。实测频带内驻波优于1.9，高于仿真值，系加工误差所致。

图6 实测驻波曲线

仿真所得的中心频率的方向图和轴比分别如图7和图8所示。主瓣3 dB波束宽度约为22°。交叉极化为－20 dB，副瓣电平在－16 dB左右，方向性系数约为18.1 dB，轴比约为1.6 dB。两个边频的相关电性能与中心频率的电性能类似。在设计频带内，得到了良好的圆极化特性。

图7 仿真所得中心频率方向图

图8 仿真所得中心频率轴比

4 结束语

本文设计了一种圆极化介质棒天线，着重分析了凹槽型圆极化段和介质棒的设计方法。根据仿真和部分实验结果，考察了天线的驻波、副瓣、波束宽度、3dB波束宽度、轴比和方向性系数等特性。小截面尺寸、良好的圆极化性能和窄波束宽度使得该天线适用于U频段多馈源反射面或透镜系统。

［1］Richter J，Nbtel D，Kloppel F.A multi-channel radiometer with focal plane array antenna for wband passive millimeter wave imaging［C］// Microwave Synposium Digest.，IEE MTT-S International，2006(11-16）:1592-1595.

［2］Richter J，Schmidt L-P.Dielectric rod antennas as optimized feed elements for focal plane arrays［C］//Antennas and Propagation Society International Symposium，2005，3-8(3）:667-670.

［3］王楠楠，等.Ka 频段介质棒天线优化设计［J］.电波科学学报，2010(1）:161-166.

［4］王楠楠，等.毫米波FPA 成像系统馈源天线研究［J］.系统工程与电子技术，2010 (8）:1644-1648.

［5］刘微，等.一种新型圆极化宽带喇叭天线［J］.电子测量技术，2007(5）:169-171.

［6］Yoneda N，Miyazaki M，Matsumara H，Yamato M.A design of novel grooved circular waveguide polarizers［J］.IEEE Trans.on Microwave Theory and Techniques，2000，48(12）:2446-2452.

［7］曾晖.K波段圆极化高效率馈源的设计［J］.广播与电视技术，2000(3）:117-124.