腔体加载式圆极化波导缝隙天线设计

陈鑫华，马岩冰，马志祥，邵晓龙，李元勋

(1.电子科技大学 微电子与固体电子学院，四川 成都 610054；2.上海航天电子技术研究所，上海 201109)

腔体加载式圆极化波导缝隙天线设计

陈鑫华1，马岩冰2，马志祥2，邵晓龙2，李元勋1

(1.电子科技大学 微电子与固体电子学院，四川 成都 610054；2.上海航天电子技术研究所，上海 201109)

圆极化天线由于其自身具有的众多优点，在现代通信系统中日益受到广泛关注。设计了一种通过在传统波导缝隙天线上加载旋转矩形腔体实现圆极化辐射的天线形式，分析了腔体辐射圆极化波的机理以及腔体对天线阻抗带宽的影响。该天线具有阻抗特性和圆极化特性独立可调的优点。加工实现了一种工作于X频段、具有1×10个单元的天线结构。测试结果表明，在中心频率处右旋圆极化增益约为16.5 dB，主辐射方向上轴比优于1 dB，阻抗带宽(VSWR<2)约为64 MHz。测试结果与仿真数据取得了较好的一致性。

波导缝隙天线；腔体加载；圆极化；窄带

0 引言

波导缝隙天线作为一种有效的辐射形式被广泛应用于雷达[1]、遥感和通信[2]等众多领域。虽然近年来微带天线凭借其价格低廉、易于批量加工等优点大行其道[3]，然而随着通信频段向更高频段发展，微带天线由于损耗高、功率容量低、热稳定度不高以及机械强度低等缺点，逐渐被波导缝隙天线所取代[4]。圆极化天线在通信领域中的优势主要体现在2个方面：① 收/发天线之间不存在由于指向不稳定引起的极化损失[5]；② 用于在接收机端减小由于多径效应引起的信号衰落[6]。目前，以波导缝隙结构实现圆极化的方式主要有在波导壁开“八”字缝[7]或“十”字缝[8]、寄生倾斜振子[9]和加载圆极化腔[10]等3种，其中第1种实现方式中各缝之间间隔一个波导波长，天线口径效率较低且副瓣较大；加载寄生振子的方式在应用于较高频段时工程实现的难度较大；第3种方式以在波导缝隙天线上方加载旋转腔体的方式实现圆极化辐射，具有易于组成阵列结构和实现幅度控制进行波束赋形的优点。

本文设计实现了一种工作于X波段具有1×10个单元的圆极化波导缝隙天线，其辐射缝采用波导宽边开纵缝的结构，馈电方式采用馈电波导中心开倾斜缝的形式，圆极化性能由具有一定旋转角度的矩形腔体实现。该天线驻波、轴比相对独立可调，具有极化性能好、易于一体化加工等优点。

1 天线设计方案

1.1 波导缝隙天线设计

波导缝隙天线常采用宽边开纵向偏置缝和窄边开倾斜缝这2种具有不同极化方式的形式。波导宽边上的纵向缝使波导内表面处的横向电流向缝隙两端分流，引起纵向电流突变，因此纵缝等效于传输线上的并联导纳[11]。波导缝隙天线管壁电流分布示意图如图1所示。

图1 波导缝隙天线管壁电流分布

当纵缝工作在谐振状态，等效导纳中的电纳为零，归一化电导值可以表示为[12]：

(1)

式中，g和x分别为缝隙的等效归一化电导和其距波导宽边中线的距离；a和b分别为波导的宽边和窄边尺寸；λ和λg分别为工作波长和波导波长。对于由多根缝隙组成阵列结构，当从波导终端馈电时，只有满足式(2)才能达到匹配的目的：

(2)

波导宽边处的管壁电流分布可以表示为[13]：

(3)

(4)

图2 驻波带宽随缝隙数N的变化趋势

1.2 圆极化腔体设计

腔体加载式圆极化波导缝隙天线结构如图3所示。

图3 腔体加载式圆极化波导缝隙天线结构

(5)

由式(5)可知，2种模式的电磁波传播一定的距离H后，在极化腔的端面处能够满足相差Δφ=90°的条件。从图4可以看出，在一定的长宽比L/W下，2种模式的相差Δφ与H基本上呈线性关系。

图4 高度H对2种模式相差的影响

图5 极化腔旋向对2种模式振幅比的影响

在工程上总是希望天线能具有较低的剖面，也就是极化腔的高度H应尽可能的小，由式(5)可知，这就需要长宽比尽可能大，但同时考虑到平面组阵的需求，旋转后极化腔的长边L应不超出辐射波导的宽边为好。

2 天线加工与测试

图6 腔体加载式圆极化波导缝隙天线实物

受圆极化腔体的尺寸和旋向限制，辐射缝隙偏离天线中线的距离较小，为1.5 mm，由分析可知，较小的偏置量将导致较窄的阻抗带宽。天线实测驻波如图7所示，由于加工误差的原因，中心频率偏离设计值30 MHz，VSWR<2的带宽约为64 MHz。

图7 天线阻抗特性曲线

天线在微波暗室中完成远场方向图的测量，方位面φ=0°和φ=90°上的天线右旋圆极化增益图如图8所示，天线实测最大增益为16.5 dB。天线轴比的仿真与实测对比图如图9所示，在主辐射方向上(θ=0°)轴比优于1 dB，在φ=0°面上轴比小于3 dB的角度范围约为±60°，在φ=90°面上轴比小于3 dB的角度范围约为±20°。 由于测试场地的局限和数据后处理的原因，从图8和图9中可以看出，与仿真结果相比，测试数据在偏离主辐射方向时出现了较多的波纹抖动，但整体变化趋势与仿真结果相吻合，测试数据与仿真结果取得了较好的一致性，这也验证了该型天线整体的设计合理性。

图8 右旋圆极化增益仿真与实测对比

图9 轴比仿真与实测对比

3 结束语

本文设计了一种工作于X频段、通过加载腔体实现圆极化辐射的波导缝隙天线，分析了波导缝隙天线阻抗带宽与缝隙偏置距离的关系以及极化腔实现圆极化辐射的原理。该形式天线的优点是设计思路明确、结构较为简单，且阻抗特性和圆极化特性相对独立，二者的相互影响较小，降低了设计调谐的工作量。但存在的缺点是由于极化腔口径的限制，天线的阻抗带宽较窄，这使其在工程上的应用范围受到限制，所以后续工作中对该天线形式的改进重点应放在对极化腔的结构改进上，使其在圆极化性能不受太大影响的情况下能给缝隙留出足够的调谐空间。

[1] 王 伟,吕善伟.单脉冲平面缝隙阵列天线设计和误差分析[J].无线电工程,1996(26):58-64.

[2] 王宏建,刘世华,郝齐焱,等.星载Ku波段波导缝隙天线的缝隙特性分析[J].电波科学学报,2012(27):1 225-1 231.

[3] 曾会勇,王光明,耿道田,等.一种新型宽频带三角形微带天线的设计[J].无线电通信技术,2009,35(5):34-36.

[4] LEE K F,CHEN W.Advances in Microstrip and Printed Antennas[M].Manhattan:John Wiley & Sons,1997:1-10.[5] 张予青,段成华.一种新型低成本的圆极化GPS微带天线[J].无线电工程,2009,39(8):38-40.

[6] LUO Q,ZHU F.Circularly Polarized Antennas[M].Manhatton:John Wiley & Sons,2013:24-25.

[7] JING X,ZHU Z,WANG Y,et al.Waveguide Slotted Array Antenna for Circularly Polarized Radiation Field[C]∥16th International Conference on Electronic Packaging Technology (ICEPT),2015:1 398-1 401.

[8] HIRANO T,HIROKAWA J,ANDO M.Waveguide Matching Crossed-slot[C]∥IEE Proceedings in Microwaves,Antennas and Propagation,2003:143-146.

[9] GONZALEZ-OVEJERO D,HERRANZ-HERRUZO J I,VALERO-NOGUEIRA A,et al.Design of Radome-Covered Slot-Array Antennas Loaded with Parasitic Dipoles for Circular Polarization at Ka Band[C]∥The Second European Conference on Antennas and Propagation,2007:1-4.

[10]DOGAN D,TOP C B.Circularly Polarized Ka-band Waveguide Slot Array with Low Sidelobes[C]∥6th European Conference on Antennas and Propagation (EUCAP),2012:1 105-1 109.

[11]STEVENSON A.Theory of Slots in Rectangular Wave-Guides[J].Journal of Applied Physics,1948(19):24-38.

[12]JOHNSON R C,JASIK H.Antenna Engineering Handbook[M].New York:McGraw-Hill Book Company,1984:217-252.

[13]廖承恩.微波技术与基础[M].西安:西安电子科技大学出版社,1994:71-72.

陈鑫华 男，(1989—)，硕士研究生。主要研究方向：天线与射频电路。

马岩冰 男，(1989—)，工程师。主要研究方向：天线与射频电路。

Design of Circularly Polarized Waveguide Slot Antenna Loaded with Rectangular Cavities

CHEN Xin-hua1,MA Yan-bing2,MA Zhi-xiang2,SHAO Xiao-long2,LI Yuan-xun1

(1.SchoolofMicroelectronicsandSolid-StateElectronics,UniversityofElectronicScienceandTechnologyofChina,ChengduSichuan610054,China;2.ShanghaiAerospaceElectronicTechnologyInstitute,Shanghai201109,China)

Circularly polarized antennas have attracted extensive attention in modern communication systems due to their inherent advantages.In this paper,a circularly polarized antenna constructed by a traditional waveguide slot antenna loaded with rectangular cavities is presented.The realization mechanism of the circularly polarized wave radiated by the cavity and the effect of cavity dimensions on the impedance bandwidth of the antenna are also analyzed.The impedance characteristics and the circular polarization characteristics of this type of antenna can be tuned independently.The designed antenna operates in X-band and consists of 1×10 unit cells.The measured results show that the right hand circular polarized gain is about 16.5 dB at the center frequency.The axial ratio is less than 1 dB in the direction of main radiation and the impedance bandwidth (VSWR<2) is 64 MHz.The measured data is quite consistent with the simulation results.

waveguide slot antenna;loaded with cavities;circular polarization;narrow band

10.3969/j.issn.1003-3106.2016.11.14

陈鑫华,马岩冰,马志祥,等.腔体加载式圆极化波导缝隙天线设计[J].无线电工程,2016,46(11):55-58.

2016-07-12

国家高技术研究发展计划(“863”计划)基金资助项目(2015AA034102)；国家自然科学基金资助项目(61371053，61271038，51472042)。

TN015

A

1003-3106(2016)11-0055-04