一种高性能Ku喇叭阵列天线的设计

张瑞东，牛传峰

(中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄　050081)



一种高性能Ku喇叭阵列天线的设计

张瑞东，牛传峰

(中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄050081)

Ku波段已经成为卫星通信一个主要的工作频段。设计了一种高效率的喇叭天线单元，通过插损较小的空气带状线进行组阵减小阵列厚度；通过180度倒相馈电形式对相邻单元进行馈电，减小了天线极化之间的耦合，改善了天线的交叉极化隔离度性能。结果表明该天线阵列增益效率高，天线整体厚度较小，交叉极化隔离度高，是实现平板阵列天线的理想形式。

高效率；低剖面；Ku波段；平板阵列天线

0　引言

随着全球经济和信息化的高速发展，越来越多的信息通过卫星进行传输，在移动载体上随时随地与卫星通信，也已成为军民两用应急通信、实时通信的迫切需求[1]。卫星移动通信系统的关键技术之一就是天线技术[2]，动中通天线技术的研究已成为卫星移动通信技术领域的研究热点之一。传统抛物面天线轮廓较高[3]，不易与载体共形；波导馈电形式的喇叭阵列厚度大，低轮廓内不易提高口径面积。平板动中通天线具有拼阵灵活，比同等口径剖面低得多[4]，易与载体共形等优点，能够更好地满足动中通天线的要求。高性能的Ku喇叭阵列天线则成为实现低剖面动中通天线的关键。

本文通过对传统喇叭进行改进，通过双层空气带线馈电，实现了双极化高效率的喇叭天线单元的设计。在此基础上对喇叭单元进行组阵，单元喇叭排列紧凑可以充分利用天线口径面积，天线与网络整体设计，保证天线易加工，精度高；通过对相邻单元之间采用倒相馈电技术，提高了天线交叉极化隔离度[5]。从仿真结果来看，天线是整体厚度低，增益效率高，交叉极化隔离度高，是实现平板阵列天线的理想形式。

1　天线单元设计

喇叭天线是一种应用广泛的微波天线，其具有结构简单，频带较宽，功率容量大，调整与使用方便等优点，其由逐渐张开的波导构成，实现定向辐射。喇叭示意图见图1。喇叭的功能是在比波导更大的口径上产生均匀的口面场分布，从而获得较高的定向性。由于喇叭口面不是等相位面，边缘与处于中心点上场的相位差为：

图1　传统喇叭天线示意图

式中：c——真空光速；

L0——喇叭顶点到口面中心距离；

L——喇叭顶点到边缘距离。

由经典天线理论可知，当天线口面给定时，电场均匀等相分布时，可以实现最大增益。当激励信号从波导向喇叭口辐射过程中，电磁场到喇叭口面中心点与边缘距离不相等，导致产生的相差使得天线口面场不均匀从而降低了天线的增益效率。

本文在传统喇叭天线的基础上对其进行了两点改进：一是在馈电波导段与天线喇叭张角段增加了阶梯过渡波导；二是辐射口径表面增加了十字栅格以改善固有的口面场相差。天线喇叭结构示意如图2所示。通过这两点改进，极大地提高了天线口面的辐射效率。

图2　改进后喇叭天线示意图

十字栅格通过采用厚度为0.127mm，介电常数为2.2，损耗正切为0.9×10-4的介质板上覆铜线实现[6]。通过印制电路板加工工艺可以保证较高精度，较薄的介质材可使等效介电常数近似于空气的介电常数，从而大大降低了馈线的介质损耗。通过在HFSS软件上对天线进行建模仿真，得到单元仿真方向图如图3所示。

图3　发射方向图

对天线进行仿真完的方向图的增益进行计算之后，得到收发频率天线口径效率均在92%以上。具体见表1。

表1　天线单元口径效率

2　天线馈线设计及仿真

高效率的天线辐射单元的设计，为天线组阵打下了良好的基础。天线组阵常用形式为波导馈线与带状线馈线两种形式。波导馈线的优点是插入损耗小，缺点是导致天线整体厚度大，占用走线空间大。两个极化的馈电网络采用两层H-T波导功分网络，这样馈电网络的厚度就超过30mm。带状线的优点是占用空间小，相比波导馈线可以极大地压缩天线整体厚度，有效地控制天线体积和重量。这在当前对天线尺寸重量有苛刻要求的机载天线等有重要意义。本文通过采用厚度为0.127mm，介电常数为2.2，损耗正切为0.9×10-4的介质板上覆铜线实现带线馈电，带线损耗减小到最低程度，整体馈电网络厚度仅2.5mm。带状线示意图见图4。从图4中可以看出，由于介质厚度极小，使得带线的介质损耗接近于悬置于空气中的程度，从而有效减小带线插损。这种准空气带状线具有重量轻、可靠性高、便于制造和装配的特点，是一种较为理想的线阵结构方式[7,8]。

通过探针耦合天线单元波导谐振腔，可以给天线单元进行激励馈电，如图5所示。

图4　带状线馈电示意图

图5　天线单元馈电示意图

从图5可以看出，在天线单元上通过上下间隔一定高度差的两个正交探针对天线单元谐振腔体进行激励，可以产生两个正交极化信号。在腔体底部增加了调配块，在每个探针前面增加了小圆片，这样可以实现探针与腔体的良好匹配。

在单元馈电基础上，对2×2子阵进行馈电网络设计。通过对相邻单元进行180°倒相馈电，可以有效地减小交叉极化分量，从而提高天线的极化隔离度。具体馈电网络见图6、7。

图6　天线2×2子阵网络示意图

图7　天线2×2子阵模型整体示意图

通过在HFSS高频结构仿真软件上对天线2×2子阵进行建模仿真，分别得到天线子阵的驻波、方向图及交叉极化特性。如图8所示。

图8　天线2×2子阵方向图仿真图

从图8可以看出天线方位及俯仰方向图特性及交叉极化隔离度，其中天线交叉极化隔离度均在40dB以上。仿真结果看整体性能出色。

图9　天线8×8天线阵列网络示意图

3　天线阵列设计

在天线2×2子阵的基础上，可以灵活地进行天线阵列设计。这里给出一个8×8规模天线阵列的设计实例。

天线阵列通过多个一分二功分器连接完成馈电，并最终通过带线波导转换转成波导接口。天线水平及垂直极化网络走线图如图9所示。

对天线阵列进行仿真，可以得到天线的仿真方向图及交叉极化方向图特性。

图10　天线8×8子阵方向图仿真图

图11　天线8×8子阵驻波仿真图

从图11看出天线仿真驻波比基本在1.5以下，回波损耗较小。从图10可以看出天线拼阵后增益及交叉极化隔离度都可以保持良好的性能。

4　测试结果

根据以上设计方案，对天线进行了实物加工。天线采用铝合金材料，通过数控机床可以实现高精度加工。天线结构通过分层设计，分层结构件通过螺钉安装可以将中间两层馈电网络与结构铝件紧密贴合，这样就保证了天线加工产品与实际模型高度一致。如图12所示。

图12　天线阵列实物图

对天线实物在微波暗室进行了驻波测试及方向图测试，结果见图13及图14。

图13　天线实测驻波图　　　　图14　天线实测方向图

5　结束语

本文介绍了一种高性能Ku喇叭阵列天线的设计。首先采用了一种对传统波导嗽叭天线进行改进的办法，改善了天线口面场分布，从而极大地提高了喇叭天线单元的辐射效率。对喇叭天线单元采用空气带线的馈电方案，该馈线方式具有插损较小的优点。对天线相邻单元采用180度延迟反相馈电的方法，有效地提高天线的极化隔离度性能。在此基础上，进行了8×8规模的天线阵列设计。从仿真与实测结果可以看出，天线阵列增益、方向图、交叉隔离度及驻波性能均表现出色。从结果可以看出，本文设计的Ku喇叭阵列性能优良，尺寸紧凑，在此基础上可以灵活地进行多种尺寸平板天线的设计，能够满足各种平板动中通天线的迫切需求。

[1]牛传峰,张瑞东,张德，等. 车载低剖面阵列动中通天线设计[J].中国电子科学研究院学报,2013，(4)：413-415.

[2]郭嘉俭.动中通卫星通信系统中的天线问题[J].数字通信世界，2011，(10):66-71．

[3]牛传峰,杜彪,韩国栋，等.低轮廓动中通天线[J].中国电子科学研究院学报,2013,8(2)：149-155.

[4]邹火儿，韩国栋.机载低剖面卫通天线的发展与未来[J].现代雷达, 2014,(3)：53-55.

[5]梁仙灵,钟顺时,汪伟.双极化微带线阵的交叉极化抑制[J].微波学报，2013,21(1):22-26.

[6]宋长宏,吴群,张文静,等.一种双扼流槽双极化低旁瓣阵列天线[J].电波科学学报,2013,(5)：857-860.

[7]李丽娴，胡俊毅，王建中.一种新型C波段轻型低副瓣线阵天线[J].无线电工程,2014,(10):55-58.

[8]FengKui-sheng，LiNa，MengQing-wei，etc.Aplanararrayantennasystemdesignformobilesitcom.SignalProcessing,CommunicationsandComputing(ICSPCC), 2014:672-675.

DesignofahighefficiencyKuhornarrayantenna

ZHANGRui-dong,NIUChuan-feng

(The 54th Research Institute of CETC, Shijiazhuang Hebei 050081,China)

Kubandshavebecomeamajorworkbandsinsatellitecommunication.Akindofhighefficiencyhornantennaisdesigned,theantennaisfedbyairstriplinewhichhastheadvantageoflowinsertlossandcanreducetheheightoftheantenna.Theadjacentcellsarefedby180degreephaseinversionfeedingmodetoreducethecouplingbetweentheantennapolarizationswhichcanimprovethepolarizationisolationoftheantenna.Theresultshowthattheantennaarraygainefficiencyishigh,theoverallthicknessoftheantennaissmall,andthepolarizationisolationishigh.Itistheidealformofflatplatearrayantenna.

Highefficiency；Lowprofile；Kuband；Flatplatearrayantenna

2016-04-30

张瑞东(1984-)，男，山西运城人，工程师，主要研究方向为天线理论研究，阵列天线设计等;

牛传峰(1976-)，男，山东菏泽人，研究员级高级工程师，主要研究方向为天线理论研究，阵列天线、特种天线设计等.

1001-9383(2016)02-0048-06

TN828.5

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