一种双扼流槽双极化低旁瓣阵列天线

宋长宏 吴 群 张文静 路志勇

（1.哈尔滨工业大学电子信息工程学院，黑龙江 哈尔滨 150001；2.中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081）

引 言

微波通信系统要求天线具有双极化、低副瓣、高隔离度、宽波束等指标特性.传统的双极化天线多采用反射面天线和阵列天线两种形式:反射面天线多应用于高增益、窄波束的场合；双极化阵列天线主要有波导和微带两种形式，波导天线一般采用分口径形式，口径利用率较低，而微带天线虽然可以全口径利用，但天线辐射效率低、馈线损耗大、极化纯度不高、一般极化隔离度为-20dB左右［1］，且随着频率的升高，网络馈线间的互耦、寄生辐射、色散特性越来越严重，从而使设计难度加大［2］.

文中提出一种利用角锥喇叭作为辐射单元共口径辐射的双极化平板阵列天线，天线单元间紧密排放，可大大提高天线的有效辐射面积，同时角锥喇叭具有高定向性和高极化纯度.天线阵列采用馈电网络与辐射单元一体化设计，利用数控加工，天线结构紧凑、加工精度高、易装配.馈电网络采用空气同轴线结构，具有损耗低、屏蔽效果好的特点.

天线方位面（两单元面）采用加载双扼流槽的办法实现了方向图旁瓣电平小于-16dB，-3dB波束宽度大于21°，满足系统对方位面宽波束低副瓣辐射的特殊要求，天线阵列俯仰面采用加权馈电，实现-16dB的旁瓣电平.

图1 单元结构

1 单元设计

天线单元结构如图1所示，天线由上到下三层结构，分别是辐射层、馈电层、背腔层.辐射层角锥喇叭阵列结构，根据天线阵列俯仰、方位面波束宽度的要求确定喇叭口径尺寸a=24mm，b=32mm，喇叭过渡高度h6=25mm.馈电层实现单元馈电和功率合成，采用探针激励方式，同轴内导体采用厚度为0.127mm、介电常数为2.2、损耗正切为0.0009的介质板来实现，印制电路板（Printed Circuit Board，PCB）加工工艺可以保证较高精度，较薄的介质材料可使同轴线近似于空气同轴线，这样大大降低了馈线的介质损耗.两极化馈电探针分别在上下两层，实现正交双线极化馈电，通过调节线宽和调配圆盘的尺寸，可使同轴线与喇叭实现良好的匹配.由于上层探针对下层探针的影响，使下层极化端口的驻波恶化，可通过调节背腔内匹配块的高度h4，使其达到理想的匹配，仿真优化得到匹配块高h4=6mm.

根据天线工作中心频率9.5GHz，确定方波导宽w=18mm，背腔高度h2=22mm，喇叭总高度h1=50mm，两极化馈电纵向距离h5=3.5mm，同轴外导体高4.6mm，宽2.8mm，同轴内导体的线宽为0.5mm，调配圆盘半径r=1.7mm.确定单元尺寸后，利用电磁场仿真软件（High Frequency Structure Simulator，HFSS）对天线单元进行全波仿真计算，天线单元主极化、交叉极化方向图、回波损耗曲线如图2所示.

图2 单元仿真曲线

从图2仿真结果来看，两极化端口回波损耗S11、S22带宽内小于15dB，而极化端口隔离S21仅小于-20dB，这是因为同轴探针馈电两极化端口耦合影响所致，阵列设计中利用反相馈电技术可以使S21得到改善.

2 阵列设计

根据系统对波束宽度的要求，天线阵列形式确定为2×4，如图3所示方位面两个辐射单元，俯仰面四个辐射单元.为了实现俯仰面四单元合成辐射方向图低旁瓣设计，采用传统的泰勒加权方法，利用馈电网络实现不等功率分配，如图3（b）、（c）所示空气同轴不等功分馈电网络示意图.方位面两个单元无法实现加权设计，采用加载双扼流槽的办法降低方位面方向图旁瓣，如图3（a）所示在阵列天线周围加载了双扼流槽结构.

图3 阵列结构

2.1 泰勒加权

泰勒线源方向图F（ψ）根据式（1）进行幅度加权计算［7］:

式中:ψ=Lu／λ，L= （N-1）d，u（θ）=sinθ-sin θs，θs为波束扫描角度；A=arcosh RdB／π，RdB／dB为旁瓣值，当给定RdB，求解方程（2），可得解A，再将其代入式（1）就可求得F（ψ）.

当采用离散的分布单元加权来逼近F（ψ）时，可根据式（3）进行计算.

取RdB=-18dB，N=4，经计算口面幅度分布为0.714∶1∶1∶0.714，其中阵列中心两单元幅度为1，边缘两单元幅度为0.714，利用不等功分网络实现上述功分比，馈电网络如图3（b）、（c）所示.阵列中采用反相馈电技术改善阵列极化隔离度，天线阵列的仿真结果如图4（a）所示，俯仰旁瓣电平在-17dB以下.

图4 阵列仿真方向图

2.2 双扼流槽设计

为了实现方位面低副瓣设计，在阵列外围加载双扼流槽，扼流槽外形结构如图3（a）所示.扼流槽由套在喇叭外沿儿的沟槽来实现，槽深一般为1／4波长，中心波导内传输TE10模.喇叭开口辐射电流主要包括波导内壁电流、喇叭开口端电流、喇叭外壁电流.其中喇叭外壁电流对天线的方向图影响很大，采用双扼流槽可以控制喇叭口外壁电流，以达到方位面降低副瓣的目的.理论上两单元天线等幅同相馈电的旁瓣是-13.34dB，经过仿真计算得到方位面方向图第一旁瓣电平达到-16dB以下，-3dB波束宽度大于21°，如图4（b）所示，其中槽宽4.5mm，槽深8mm，槽间距9mm.

3 试验结果分析

基于以上设计，加工了天线阵列实物，如图5所示，天线采用铝材数控加工，利用销钉将三层铝件进行准确定位，借助螺钉将两层印制板与天线紧密压接，双面印制板敷铜加工保证层与层之间导电充分，采用同轴接插件馈电形式.对天线的两极化E面和H 面方向图、两端口S参数进行了测试，结果如图6所示.

图5 阵列实物

图6 阵列实测结果

从图6测试结果来看:天线两主极化俯仰面、方位面方向图曲线与仿真结果比较吻合，旁瓣电平均满足在-16dB以下；S11、S22在带宽内小于-10 dB，水平极化S22相对较好，与仿真结果较为吻合，基本在-15dB以下；极化端口隔离度在9.5GHz±500MHz内小于-35dB，两极化交叉极化电平在-40dB以下，与单元仿真结果比较，采用反相馈电技术较好地改善了阵列天线的交叉极化隔离度指标.

4 结 论

本文提出了采用角锥喇叭作为辐射单元的阵列天线，同时结合同轴网络泰勒加权技术、双扼流槽加载技术、反相馈电技术实现了2×4双极化阵列天线高隔离度、低旁瓣设计.通过对天线实物的测试，验证了仿真结果和设计方法的有效性.文中的阵列天线形式及低旁瓣设计方法可应用在较大型的双极化低旁瓣阵列天线设计中，而扼流槽加载技术可应用在宽波束、低旁瓣的天线设计中，此平板阵列天线已得到了工程应用.

［1］梁仙灵，钟顺时，汪 伟.高隔离度双极化微带天线设计［J］.电波科学学报，2006，21（5）:731-734.LIANG Xianling，ZHONG Shunshi，WANG Wei.Design of a dual-polarized microstrip patch antenna with high isolation［J］.Chinese Journal of Radio Science，2006，21（5）:731-734.（in Chinese）

［2］杨雪霞，钟顺时.双极化方形微带天线阻抗特性［J］.电波科学学报，2000，15（2）:199-203.YAGN Xunxia，ZHONG Shunshi.Impedance characteristics of dual-polarized square patch antenna［J］.Chinese Journal of Radio Science，2000，15（2）:199-203.（in Chinese）

［3］JAMES J R，HALL P S，WOOD C.Microstrip Antenna Theory and Design［M］.New York:IEEE Press，1981:1-5.

［4］POKULS R J，POZAR U M.Dual-frequency and dualpolarization microstrip antennas for SAR application［J］.IEEE Trans Antennas and Propagat，1998，46（9）:1289-1296.

［5］SHAFAI L L，CHAMMA W A，BARAKAT M，et al.Dual-band dual-polarized perorated microstrip antennas for SAR application［J］.IEEE Trans Antennas and Propagat，2000，48（1）:58-66.

［6］林志强，姚敏力，沈晓卫.基于遗传算法多子阵平板天线旁瓣电平优化［J］.电波科学学报，2011，26（2）:369-375.LIN Zhiqiang，YAO Minli，SHEN XiaoWei.Sidelobe reduction of the planar antenna with multiple subarrays based on genetic algorithm［J］.Chinese Journal of Radio Science，2011，26（2）:369-375.（in Chinese）

［7］束咸荣.相控阵雷达天线［M］.北京:国防工业出版社，2007:50-53.

［8］WONG K L，TUNG H C，CHIOU T W.Broadband dual-polarized aperture-coupled patch antennas with modified H-shaped coupling slots［J］.IEEE Trans Antennas and Propagat，2002，50（2）:188-191.

［9］CHIOU T W，WONG K L.Broad band dual-polarized single microstrip patch antenna with high isolation and low cross polarization［J］.IEEE Trans Antennas and Propagat，2002，50（3）:399-401.

［10］HABIBL，KOSSIAVAS G，PAPIERNIK A.Cross shaped.Patch with etc.aed bars for dual polarization［J］.Electronics Letters，1993，29（10）:916-918.

［11］ELLIOTT R S.Antenna Theory and Design［M］.New York:Prentice-Hall，1981.

［12］蔡明娟，尹家贤，刘克诚，等.一种结构新型的双频双极化共口径微带天线［J］.电波科学学报，2008，21（1）:121-125.CAI Mingjuan，YIN Jiaxian，LIU Kecheng.New dualfrequency and dual-polarization coplanar microstrip antenna［J］.Chinese Journal of Radio Science，2008，21（1）:121-125.（in Chinese）

［13］SHAN T J，WAX M，KAILATH T.On spatial smoothing for estimation of coherent signals［J］.IEEE Trans Acoust，Speech，Signal Processing，1985，33（4）:806-811.