关于Ka波段圆极化平板阵列天线设计的研究

王晖

【摘 要】在本文中，主要详细分析单元天线、列阵天线的具体设计方式，最后对Ka波段圆极化平板阵列天线进行仿真，总结其最终的结果。基于本文研究，目的是为相关人员提供借鉴，优化Ka波段圆极化平板阵列天线的设计方式，提高其运行的稳定性。

【关键词】Ka波段;圆极化;平板阵列天线;单元天线;阵列天线

中图分类号： TN822文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2019）18-0033-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.18.016

Research on Design of Ka-band Circularly Polarized Flat Array Antenna

WANG Hui

（Gansu Changfeng Electronic Technology Co.， Ltd.， Lanzhou Gansu 730070， China）

【Abstract】In this paper， the specific design methods of unit antenna and array antenna are mainly analyzed in detail. Finally， the Ka-band circularly polarized flat panel array antenna is simulated and the final result is summarized. Based on the research in this paper， the purpose is to provide reference for relevant personnel to optimize the design of Ka-band circularly polarized planar array antenna and improve the stability of its operation.

【Key words】Ka-band; Circular polarization; Planar array antenna; Unit antenna; Array antenna

1 Ka波段圓极化平板阵列天线的具体设计

1.1 单元天线的设计

在圆极化平板阵列天线中（如图1所示），单元天线的设计是其中重要的设计工作内容。具体而言，单元天线的辐射体主要运用十字栅格、渐变喇叭的结构进行设计。其中，十字格栅需要设置在阶梯喇叭天线的最上层阶梯内，而喇叭口需要分为4份。这一设计方式相当于将同一个喇叭设置成为4个相同的辐射单元。渐变喇叭是对普通喇叭天线的调整、变形。基于此，能够通过对阶梯喇叭不同阶梯高度、面口的调节，实现对喇叭天线不同阻抗的合理匹配。在圆极化平板阵列天线中，如果不想出现栅瓣，则应该将条件设置为：d<λ/（1+sinθ）。其中，d表示单元天线之间的间距;θ表示天线的扫描角度;λ表示天线频率所对应自由空间波长。如果在不扫描的情况下，天线的扫描角度为0度，所以d<λ则为不出现栅瓣的主要条件。对于方形天线的辐射口面而言，要想满足波传输的条件，则需要保证a>λ/2。其中，公式中的a表示圆极化平板阵列天线辐射口面的边长。

根据公式d<λ、a>λ/2可知：对于方形喇叭而言，为了实现喇叭阵列天线辐射的目的，同时不出现任何栅瓣，则应该保证半个工作波长小于辐射单元的口径，同时一个工作波长还应该大于辐射单元之间的间距。一方面，对于辐射单元天线来说，如果其自身的辐射口径电场有着均匀地分布效果，则可以有效提高天线的辐射效率。另外，要想获得更高的辐射效率，还应该尽可能减少辐射单元的实际口径。另一方面，波导阵列天线的单元馈电使用了波导结构。由于该结构有着相对较大的尺寸，所以应该增加单元之间的间距，从而为馈电网络的布置提供充足的空间。综合单元的天线效率、馈线网络布置，主要包含两个因素，即辐射单元间距为0.8的工作波长、喇叭天线间距为1.6的工作波长。其中，圆极化平板阵列天线的隔板圆极化器属于3端口器件，能够很容易地将两路线极化信号转变为左右旋圆极化信号。基于此，可以彰显圆极化平板阵列天线的轴比特性、宽带等方面的优势。在本文的设计中，提出天线单元通过隔板圆极化器的方式进行直接馈电，以此来实现圆极化平板阵列天线的能力。将其应用在315GHz的环境中，发现单元天线的整体方向良好，同时具较强的对称性、增益性。图1为单元天线模型图与相关参数变量。

1.2 列阵天线的设计

在圆极化平板阵列天线的设计中，同样不能忽视列阵天线的内容。具体来说，实际设计的过程中，由于天线单元之间的间距会形成限制，所以要想实现对馈电网络空间的缩小，笔者在设计中运用E面T形分网络，实现向不同喇叭单元天线进行馈电的目的。在设计中，由于圆极化平板阵列天线为8*8的子阵仿真模型，因此其中的左右旋圆极化所对应的馈电网络，应该进行分层设置。不仅如此，未来对圆极化平板阵列天线的馈电网络结构进行简化，模型中安装的隔板圆极化器阶梯，应该对四个不同的单元进行反向设置。采用此种方式进行设计，能够保证阵列中所有圆极化方向均具有一致的效果。在圆极化平板阵列中，上层、下层的馈线网络主要采用E面T形功分器级联进行设计[2]。

为了能够有效减少天线方位面中差生的复瓣，必须对该天线中的馈电网络功分进行不等设置，实现12*4子阵中对馈电电平的锥削分布。采用此种方式进行设计以后，圆极化平板阵列天线中会包含12*16个单元数，其分别对应的外形尺寸等于246毫米*39毫米*186毫米。正是因为这样的设计方式，可以保证圆极化平板阵列天线稳定运行，强化其卫星通讯的稳定性。最后，则能够对圆极化平板阵列天线进行整体设计。具体而言，在具体阵列中采用并联的方式进行馈电。由于两种不同的结构功分器，是通过级联的方式而形成的，并运用波导馈电的形式实现馈电目的。

2 Ka波段圆极化平板阵列天线的仿真结果

2.1 仿真结果

为了对本文所设计的圆极化平板阵列天线效果进行分析，笔者运用电磁仿真软件HFSS进行仿真分析。具体来说，运用HFSS对圆极化平板阵列天线中的2*2子阵进行建模处理、优化分析，然后运用Uwave对馈线网络进行相应的设计、优化，同时将子阵、网络进行组合，最终完成Ka波段圆极化平板阵列天线的设计。在仿真分析的过程中，发现在30GHz典型频点的背景下，所形成Ka波段圆极化平板阵列天线方向图显示为馈电端口呈现出左旋圆极化的特征。因此，说明该条件下并不会产生栅瓣的现象。同时，仿真结果显示第一副瓣电平在-17dB之下，主辐射方向的交叉极化电平则在40dB之上。另外，通过HFSS仿真分析能够得出Ka波段圆极化平板阵列天线辐射方向的左右旋轴比的曲线图：Ka波段圆极化平板阵列天线右旋轴比，在29.5GHz之前一直低于左旋的轴比;29.5GHz至30.8GHz之间，右旋轴比则高于左旋轴比;最后在33GHz附近时二者趋于相同。需要注意的是，在28GHz至31.5GHz之间时，右旋轴比、左旋轴比之间的差异在1dB之间。由此能够说明，Ka波段圆极化平板阵列天线在运行过程中，能够形成良好的雙圆极化辐射特性。

除此之外，运用HFSS对Ka波段圆极化平板阵列天线进行仿真分析，可以得出天线增益、效率随频率变化的对应曲线。（1）在27GHz至31.5GHz频段之间，Ka波段圆极化平板阵列天线的左旋效率、右旋效率基本呈现出一致的状态;在31.5GHz至32.3GHz频率之间，右旋频率则低于左旋频率;在32.3GHz至33GHz频段之间，右旋频率则高于左旋频率。（2）在27GHz至33GHz频段之间，Ka波段圆极化平板阵列天线的右旋增益、左旋增益，其变化趋势明显一致，同时数值也基本相同。

2.2 结果分析

结合对Ka波段圆极化平板阵列天线的仿真分析能够发现，平板阵列天线具有体积小、风阻小、重量轻、安装使用方便的优势，同时内部还在内部设置了高频头，以此来使天线与高频头实现一体化的目的。因此，能够为日后调节提供便利。正因如此，Ka波段圆极化平板阵列天线在实际应用中，可以获得良好的卫星通讯效果，特别适合应用在直播星电视的信号接收中，并且可以获得较强的通讯增益，保证信号传输的稳定性。简言之，在Ka频段的条件下运行，圆极化平板阵列天线能够达到理想的效果，弥补传统天线模式存在的不足，解决卫星信号传输的质量问题，满足更多用户的相关需求。由此发现，将Ka波段圆极化平板阵列天线应用在卫星通讯中，能够获得良好的效益[3]。

3 结语

综上所述，以高机动平台为分析分析，本文获取了Ka波段圆极化平板阵列天线的基本特点，并将其作为基础设计了一个低剖面、高增益的阵列天线。通过对天线分层设计、优化与调整，并运用HFSS对其进行仿真分析，发现本文所设计的Ka波段圆极化平板阵列天线，能够在实际应用中获得良好的效果，弥补传统天线卫星通讯中存在的不足，提高信号的稳定性。因此，将圆极化平板阵列天线应用在Ka波段中，具有较强的必要性。

【参考文献】

[1]毛誉杰.Ka波段宽带圆极化微带阵列天线研究与设计[D].南京理工大学，2018.

[2]仵娜，徐建凯，吴文.Ka波段SIW馈电的圆极化贴片阵列天线设计[J].微波学报，2015，31（S2）：64-67.

[3]汪敏，仵娜，胡磊.Ka波段SIW馈电的圆极化贴片阵列天线设计[A].中国电子学会微波分会：《微波学报》编辑部，2015：4.