一种新颖的圆极化波导阵列天线设计

(中国电子科技集团公司第三十八研究所,安徽合肥230088)

0 引言

随着卫星通信、遥控遥测技术的发展,雷达应用范围的扩大,以及对高速目标在各种极化方式和气候条件下跟踪测量的需要,单一线极化方式已远难满足要求,圆极化天线的应用就显得十分重要。圆极化波具有抗云雨衰减、抗多径衰减、可消除由电离层法拉第旋转效应引起的极化畸变的影响等。因此,圆极化天线广泛应用于通信、雷达、电子对抗、遥测遥感、天文及电视广播等方面。

现代雷达系统中,为了满足对特定空域的覆盖要求,常常需要对天线波束进行赋形设计。对于场面监视雷达而言,主要用于发现低空近地目标和机场场面目标,而雷达假设的塔台高度往往在20～150 m,因此对于天线俯仰面要求具有-37°～0°近似倒余割平方的波束覆盖。

常见的圆极化天线有圆极化微带贴片天线[1]、圆极化行波波导缝隙天线[2]、带有寄生振子的圆极化波导缝隙天线[3]、圆极化径向线缝隙天线[4]等。微带天线效率较低、行波阵天线波束发生色散、带寄生阵子的波导缝隙天线加工难度较大,径向线缝隙天线口径固定难以波束赋形。

本文介绍了一种Ku波段24×16单元圆极化波导缝隙平面天线阵设计,其辐射缝隙采用纵向细长缝隙耦合四脊方形喇叭,实现圆极化的性能[5]。为满足波束覆盖的要求,馈电网络采用矩形波导窄边耦合器结构的功分网络和配相波导,采用幅相加权的方式,实现圆极化波导缝隙平面天线阵的波束赋形的性能。

该天线为波导缝隙驻波天线阵,具有波导驻波天线阵的效率高、波束指向统一等所有优点;整个天线采用成熟的缝隙波导天线加工工艺,材料单一,加工难度低、自身强度高、工作可靠。

1 圆极化辐射单元设计

为实现天线阵的圆极化工作,辐射单元采用一种新形纵向细长缝隙耦合四脊方形开口波导的组合式辐射缝隙,细长缝隙为矩形波导宽边开设的纵向直缝隙,细长缝隙与四脊方形波导的对角线重合,辐射单元的结构组成如图1所示。

图1 圆极化辐射单元模场分布

矩形波导宽边纵向细长缝隙耦合激励四脊方形开口波导,产生两个正交模式TE01模和TE10模,调节四脊波导脊的高度,使两个正交分量幅度相等。由于两个模式传输的相速不同,通过调节四脊方形开口波导的长度,使两个等幅正交电磁分量在开口波导辐射口面实现90°的相位差,从而实现圆极化性能。

2 线阵设计

采用上边介绍的圆极化辐射单元,设计了圆极化波导缝隙天线线阵,选取线阵单元数为24,由两级一分二功分器分为4个子阵,如图2所示。整个阵面的设计是基于有限元方法的电磁分析商业软件HFSS来完成的,天线单元导纳与几何参数提取与常规缝隙波导天线设计方法相同[6],仿真设计的单根线阵典型结果如图3所示。在3%工作频带内天线轴比小于3.0 dB。

图2 单根圆极化缝隙波导天线阵

图3 单根圆极化缝隙波导天线阵轴比仿真结果

3 赋形网络设计

为实现天线阵俯仰面赋形波束的要求,拟采用幅度、相位加权的方式实现倒余割平方的波束方向图,为了降低馈线损耗、降低加工难度,赋形网络采用金属波导形式,主要由矩形波导窄边耦合器、配相波导和匹配负载组成。赋形网络采用由波导窄边耦合器组成的1∶16功分网络技术方案,其结构示意图如图4所示。幅度分布由波导耦合器不同耦合度实现,相位分布采用不等长矩形波导和宽边不同的矩形波导相结合的相位补偿技术方案,其结构示意图如图5所示。

采用上述的赋形网络技术方案,经过对整个馈电网络优化仿真,其结果表明,各输出口之间的带内相对幅相偏差可控制在±0.2 dB/±1°以内。

图4 1∶16波导功分网络结构示意图

图5 配相波导结构示意图

4 测试结果

最终设计完成的24×16单元的圆极化波导缝隙天线阵结构示意图如图6所示,整个天线阵面分为6层结构,各层零件采取精密机械加工一次成型,多层板采取真空钎焊焊接技术。加工而成的实物照片如图7所示。

图6 24×16单元天线阵示意图

图7 24×16单元天线阵实物照片

在平面近场微波暗室内对天线阵的各性能指标进行了测试,结果表明该天线在15.9～16.5 GHz的设计频带内驻波比优于1.6,赋形波束覆盖-40°～0°,轴向轴比优于3.0 dB。

天线阵端口VSWR仿真与测试结果如图8所示,结果显示天线阵在15.8～17 GHz频带内驻波比优于2.0,与仿真结果很好吻合。

带内典型的方向图仿真与测试结果如图9所示,天线阵俯仰面方向图赋形区域覆盖-40°～0°,方位面方向图最大副瓣电平优于-12 dB,与仿真结果吻合很好。

图8 24×16单元天线阵驻波测试曲线

图9 24×16单元天线阵中频波瓣测试结果

带内典型的轴比仿真与测试结果如图10所示。由图10(a)可以看出,在俯仰面内其轴向轴比仿真和测试结果都小于1 d B,在-40°～0°赋形区域的范围内,仿真结果小于4 dB,实测结果轴比小于6 d B;由图10(b)可以看出,在方位面内其轴向轴比仿真和测试结果都小于1 dB。

图10 24×16单元天线阵中频轴比测试结果

5 结束语

本文介绍了一种Ku波段24×16单元圆极化缝隙波导阵列天线的设计,为实现圆极化工作,辐射单元采用新型纵向缝隙耦合四脊开口波导形式;为了满足赋形波束的要求,赋形网络采取矩形波导窄边耦合器与配相波导一体化加工设计技术手段。最终采用幅相加权实现了天线阵在3%的频带内,总口驻波小于1.6,俯仰面实现-40°～0°波束覆盖,轴向轴比优于3.0 dB。结果表明,这些技术措施十分有效,可用于同类型圆极化波导缝隙阵列天线的设计。

[1]钟顺时.微带天线理论与应用[M].西安：西安电子科技大学出版社,1991：215-266.

[2]ANDO M,GOTO N,HIROKAWA J,et al.Slotted Leaky Waveguide Array Antenna：US,5579019A[P].1996-11-26.

[3]TAKADA J,ANDO M,GOTO N.An Equivalent Circuit of a Slot in Radial Line Slot Antennas[J].IEEE Trans on Electronics,1991,74(9)：2922-2928.

[4]STILWELL R K,WALLIS R E,EDWARDS M L.A Circularly Polarized Electrically Scanned Slotted Waveguide Array Suitable for High Temperature Environments[C]∥IEEE Antennas and Propagation Society International Symposium Proceedings,[S.l.]：[s.n.],2003：1030-1033.

[5]张洪涛,汪伟.圆极化波导驻波天线：中国,200910185457.3[P].2013-01-30.

[6]齐美清,汪伟,金谋平.基于HFSS的波导裂缝有源导纳的计算方法[J].雷达科学与技术,2006,4(2)：121-124.QI Mei-qing,WANG Wei,JIN Mou-ping.Computation Method for Active Admittance of Waveguide Slot Based on HFSS[J].Radar Science and Technology,2006,4(2)：121-124.(in Chinese)