K波段双圆极化波导阵列天线设计

2015-06-19宋长宏张文静

系统工程与电子技术 2015年1期

关键词：轴比圆极化波导

宋长宏，吴群，张文静

（1．哈尔滨工业大学电子与信息工程学院，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）

K波段双圆极化波导阵列天线设计

宋长宏1，2，吴群1，张文静2

（1．哈尔滨工业大学电子与信息工程学院，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）

传统的双极化波导缝隙天线阵每种极化方式交叉极化较差，极化端口隔离度不高，尤其实现共口径辐射难度较大。介绍了一种K波段双圆极化波导阵列天线设计方法，重点讨论了高效率共口径双极化辐射单元、宽带圆极化器、低损耗波导馈电网络。利用仿真软件进行了优化仿真分析，在此基础上研制了样件，对其电性能进行了测量。测试结果表明，此双圆极化波导阵列天线具有效率高、轴比带宽宽、隔离度高等特点。

双圆极化；极化器；轴比；隔离度

0 引言

随着卫星通信技术的迅猛发展，对天线的要求越来越高，不仅要求天线实现小型化、低轮廓、低成本，还要求天线具有宽频带、多频工作、极化分集、多业务融合的特点。同时圆极化天线具有抗干扰强，能够接收任意极化的来波，发射的圆极化波可以被任意极化天线所接收，且圆极化天线具有抗多径的效果，因此越来越受到关注，尤其广泛应用在卫星通信系统中［12］。

圆极化阵列天线形式种类繁多，主要以微带天线和波导阵列天线为主［36］，微带天线具有易集成、加工精度高、低轮廓等特点，实现圆极化往往带宽较窄，尤其实现双圆极化结构复杂、馈线冗长、损耗较大，不适用于高频段卫星通信系统。波导阵列天线主要以波导缝隙阵为主，它的特点是可实现低副瓣、高效率、低损耗、低轮廓，但阻抗带宽较窄，实现圆极化多采用不同形式的极化栅，且多为单圆极化辐射［710］。

本文介绍了一种双圆极化波导阵列天线，辐射单元为方口喇叭，在腔体上开圆形缝隙，实现对方口喇叭的馈电，采用隔板极化器实现左右旋极化，利用E-T波导功分网络进行功率合成，天线阵列结构紧凑、圆极化轴比带宽宽、辐射效率高。

1 单元设计

如图1所示，天线辐射单元由方口喇叭、圆形缝隙、腔体和方波导组成，利用方波导实现对腔体的馈电，腔体上面所开的圆形缝隙在腔体上表面激励起电流，通过方口喇叭辐射到自由空间。这种馈电结构实现了一个方波导同时馈电4个方口喇叭天线，与采用功分网络合成的传统阵列天线设计方法相比，具有插损低、结构简单的特点。

图1 天线单元外形结构

天线的工作频段为23～26 GHz，标准方波导尺寸C＝8．64 mm，腔体的高度H3决定天线驻波的谐振频率，通常取D＝λ／4（λ为中心频率对应的波长），腔体宽度B决定天线驻波的谐振深度，圆形缝隙的直径D、缝隙间距决定天线驻波的谐振位置和腔体表面电流幅度，喇叭口径尺寸A＝0.75λ，喇叭口最佳间距d2＝0.866λ。

利用三维电磁场仿真软件HFSS对波导阵列天线单元进行了优化仿真设计，确定了单元外形结构尺寸，其中高度H3＝2.4 mm，宽度B＝20 mm，喇叭口径尺寸A＝9 mm，高度H1＝3 mm，喇叭间距d2＝9.8 mm，圆形缝隙直径D＝7.2 mm，缝隙间距d1＝9．1 mm，方波导的尺寸为8．64 mm。如图2所示，分别给出了单元天线在频点23 GHz、24．5 GHz、26 GHz时，yoz面和xoz面的辐射方向图，其中，横坐标角度0°对应天线口面法向方向。

从仿真结果可以看出，带宽内天线增益大于14．5 dB，依据增益与孔径面积关系可得口径辐射效率η带宽内大于85%，驻波带宽内小于1.5。增益与孔径面积关系为式中，G为天线增益；Ae为天线口径面积；λ为天线工作波长。

2 圆极化天线单元设计

2.1 圆极化器设计

隔板圆极化器广泛应用在波导网络系统中，与传统极化器相比，它的特点是不需要外加正交器就可以实现左、右旋圆极化同时工作，且端口隔离、相位一致性、驻波、插损、耐功率等指标极易达到要求［1116］。图3为隔板极化器的外形结构图，隔板极化器在方波导中插入锯齿状隔板，波导的一端为双极化波入口，另一端分割为两个旋向的极化端口。

图2 天线单元仿真

隔板参考设计尺寸标注见图3（b），具体为：a1＝0.341λ，b1＝0.059λ，a2＝0.269λ，b2＝0.144λ，a3＝0.274λ，b3＝0.244λ，a4＝0.281λ，b4＝0.344λ，a5＝0.103λ，b5＝0.517λ，b6为方波导尺寸，根据馈电空间选择合适的尺寸a6，天线工作在K波段所以取隔板厚度δ＝0.5 mm。

2.2 圆极化天线单元

基于圆极化器的参考尺寸，在HFSS中建立了圆极化器和辐射单元一体化模型，如图4（a）所示，辐射单元分为左、右旋两个极化端口，通过调节隔板的几何参数，重点优化轴比和端口隔离指标。确定隔板尺寸为：a1＝4.09 mm，b1＝0.70 mm，a2＝1.722 mm，b2＝2.927 mm，a3＝3.282 mm，b3＝2.927 mm，a4＝3.368 mm，b4＝4.123 mm，a5＝1.245 mm，b5＝6.2 mm，a6＝3 mm，b6＝8.64 mm。圆极化天线辐射单元轴比如图4（b）和图4（c）所示。

图3 隔板极化器

图4 圆极化天线单元

从图4（b）和图4（c）仿真结果可以看出，天线单元带宽内轴比小于2 dB，两极化的端口隔离带宽小于－30 dB。

3 阵列设计

3.1 功分网络设计

为了实现天线高增益辐射，需要对天线进行组阵设计，采用低损耗的波导功分网络进行功率合成，图5（a）为一分四波导合路器，倒向块实现了纵向网络转换成横向的合成网络，这样并馈合成网络将不再占用纵向空间，减小天线的厚度，利用匹配块可实现对网络的匹配调谐。

对5端口功分网络进行优化仿真设计，图5（b）为S参数曲线，端口1回波损耗带宽内小于－20 d B，传输常数为－6．1 d B，理论上网络插耗仅为0．1 dB。

图5 功分网络

3.2 天线阵列设计

天线阵列的整体结构可分为3层，分别为辐射层、极化器层、功分网络层，图6（a）给出了层与层之间的连接关系，对16×32天线阵进行了仿真、加工。实物图如图6（b）和图6（c）所示，利用数控分层加工工艺，并采用销钉、螺钉进行装配，保证了对电磁波的良好屏蔽。图7（a）～图7（c）给出了天线阵俯仰面（天线窄边）、方位面（天线长边）的方向图仿真和实测结果；图7（d）、图7（e）和图7（f）分别给出了S参数、轴比和口径效率的实测结果。

从图7样件实测结果来看，16×32天线阵列带宽内增益大于35 dB，回波损耗实测值有所恶化主要是因为加工精度、装配误差所致，带宽内小于－15 dB，仍满足设计需要。端口隔离参数S21、S12带宽内小于－25 d B，轴比小于3 dB的带宽为16．5%，频带内口面效率大于76%。

图6 阵列设计

图7 样件实测

4 结论

本文提出了一种缝隙耦合波导喇叭口辐射的双圆极化波导阵列天线，介绍了天线单元、极化器、功分网络的设计方法，并加工、测试了16×32阵列样件，测试结果达到了设计要求，口面效率大于76%。天线特点是低轮廓、高效率、双圆极化辐射、高隔离度。在要求小孔径天线的卫星通信系统中，具有很好的工程应用前景。

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Design of K-band dual-circularly-polarization waveguide array antennas

SONG Chang-hong1，2，WU Qun1，ZHANG Wen-jing2
（1.Department of Electronic and Communications Engineering，Harbin Institute of Technology，Harbin 150001，China；2.The 54th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation，Shijiazhuang 050081，China）

The cross-polarizations and the polarization port isolation performance of conventional dual-polarization waveguide slotted array antennas are poor，especially difficult to realize co-aperture dual-circularly-polarization radiation．A novel dual-circularly-polarization waveguide array antenna at K-band is studied．The high-efficiency dual-polarized co-aperture radiation element，wide-band polarizer，low loss feed network are discussed，simulated and optimized by software．A prototype has been made and tested．The measured results show that waveguide array antennas proposed have the characteristics of high-efficiency，wide-band of axial ratio，and highisolation．

dual-circularly-polarization；polarizer；axial ratio；isolation

TN 82

10．3969／j．issn．1001-506X．2015．01．01

宋长宏（1980-），男，高级工程师，博士研究生，主要研究方向为平面阵列天线、相控阵天线、共形天线设计与计算。

E-mail：songzanyi2011＠126．com

吴群（1955-），男，教授，博士，主要研究方向为射频／微波／毫米波器件与电路、天线与电磁兼容性、微波系统与测量技术。

E-mail：qwu＠hit．edu．cn

张文静（1962-），男，高级工程师，主要研究方向为卫星天线馈源系统研究。

E-mail：zhangwj＠cti．ac．cn

1001-506X（2015）01-0001-05

网址：www．sys-ele．com

2014- 01- 24；