一种宽带圆极化天线的设计

周硙硙，张 青，赵 旭，夏 翔

（1.海军装备部驻南京地区第一军事代表室，江苏南京210006；2.中国航天科工集团8511 研究所，江苏 南京210007）

0 引言

随着现代雷达系统和和电子对抗系统的发展，系统集成和功能需求逐渐提高。现代雷达很多都采用宽带、超宽带调扩频技术和频率捷变技术，雷达目标信号将在较宽的频带范围内存在，极化形式也呈现多样性发展，在工作过程中极化形式不断变化，并对系统作用距离的要求不断提高。因此天线必须具备宽频带、宽波束、多极化以及在所需波束范围内有相对较高增益的特点。在通信系统中，圆极化天线具有抗云、雨干扰，减少信号漏失，消除由电离层法拉第旋转效应引起的极化畸变影响等优点。因此圆极化天线在通信领域有着广泛的应用。

本文介绍了一种工作于X 频段的双圆极化喇叭天线，在最大限度范围内达到了多项指标的均衡性，同时降低了天线的复杂度、损耗和成本。

1 天线设计

工作中要求一种工作频带范围在8～12 GHz。考虑到喇叭天线具有频率性能好、适用带宽宽、结构简单、易于调整、损耗小等特点，因此所设计的天线采用喇叭天线的形式。为了使喇叭天线实现圆极化工作，采用尺寸较小且带宽较宽的隔板圆极化器。根据隔板圆极化器的移相特性及场型结构，在隔板的两侧分别进行激励，其公共输出端便可实现左旋或右旋2 种圆极化波，因此天线可双圆极化工作。

本天线由同轴-矩形波导转换器、波导隔板圆极化器和波导段组成。天线通过同轴线馈电，经同轴-矩形波导转换器在方波导中形成TE10 模电磁波，再经过圆极化器后，在圆极化器输出端形成圆极化波。

1.1 馈电设计

天线的馈电采用同轴-波导转换器，用同轴探针激励圆波导。将同轴线的外导体与圆波导的外壁连在一起，内导体的延伸部分(探针)插入波导中，形成一个小辐射天线，在波导内激励出TE10模电磁波。这种同轴-矩形波导转换器在同轴-波导转换处引入了电抗，造成了波的反射，使同轴与波导的失配加剧。为了改善同轴-圆波导转换器的匹配性能，可以通过调节探针插入深度以及探针在波导中位置的方式完成。一般其馈电位置离短路端的距离为工作中心频点所计算出的波导波长的1/4 略短的位置。

1.2 圆极化设计

模片尺寸，必须分析该圆极化喇叭天线内的场，而该天线可以采用波导分析中常用的模式匹配法。首先把圆极化喇叭天线看作一个四端口网络，用以导出四端口散射参数的耦合矩阵在很多文献中已有描述[1-2],在此分析中需要注意的是波导模片部分场值。

按照图1 所示的金属隔板，可以认为隔板的每一个阶梯都是相互独立的，所以每一个阶梯段可以等效地看作为一段脊波导，应用脊波导、脊边缘的边界条件可以得到这一段的散射矩阵。

图1 隔板圆极化器隔板结构

2 天线仿真

天线采用HFSS9 电磁场分析软件进行仿真分析。天线在HFSS 软件中的仿真模型及单元驻波如图2-3 所示。天线在8～12 GHz 的频段内进行仿真，针对计算的结果分析，调整模型的结构尺寸以进行优化设计，直到输出满意的结果，在调整天线模型尺寸时，要考虑实际工程的应用以及加工精度的要求。

单元增益方向图如图4―9 所示。单元轴比方向图如图10―11 所示。

单元增益和轴比性能统计如表1 所示。

可以看出，天线端口驻波在8～12 GHz 频带内小于2。天线方位面±60°增益大于-0.8 dB，俯仰面增益±60°增益大于-2.5 dB，方位面与俯仰面轴向轴比小于2.1。

图2 天线单元模型图

图3 天线驻波

图4 8 GHz 方位面增益方向图

图5 10 GHz 方位面增益方向图

图6 12 GHz 方位面增益方向图

图7 8 GHz 俯仰面增益方向图

图8 10 GHz 俯仰面增益方向图

图9 12 GHz 俯仰面增益方向图

仿真结果表明，喇叭天线结构简单紧凑，方向性、圆极化性能优良，带宽完全能满足要求，天线的设计达到了实际工程的要求。

图10 方位面轴比方向图

图11 俯仰面轴比方向图

表1 天线仿真性能统计表

3 天线测试

根据仿真优化的结果制作了实物模型。使用Agilent N5230A 矢量网络分析仪对天线的S 参数进行了测试。在暗室进行增益方向图测试，测试结果如图12―17 所示。

图12 8 GHz 方位面增益方向图

测试结果表明，单元天线驻波小于2，增益值统计如表2 所示。

图13 10 GHz 方位面增益方向图

图14 12 GHz 方位面增益方向图

图15 8 GHz 俯仰面增益方向图

4 结束语

本文在原有模片圆极化喇叭天线的基础上，通过对天线的改进，研制出一种新型X 波段的圆极化喇叭天线。该天线扩展了普通模片圆极化喇叭天线的工作带宽，且改善了圆极化喇叭天线高频段低仰角的增益，为宽带圆极化天线的进一步研究和设计提出了一种新的实现方式。

图16 10 GHz 俯仰面增益方向图

图17 12 GHz 俯仰面增益方向图

表2 天线增益实测性能统计表