一种双频多极化共口径波导天线阵列

鲁加国，张洪涛，汪 伟，张 冰，尹应增

(1.西安电子科技大学 电子工程学院，陕西 西安 710071；2.中国电子科技集团公司 第三十八研究所，安徽 合肥 230088)

在现代无线和电子系统中，双极化或多极化的多波段共口径天线阵越来越受到人们的青睐。但众所周知，由于阵列的辐射性能主要受其口径大小的限制，天线阵列的体积和重量很难降低[1]。考虑到这一“缺点”，研究者们致力于在一个系统的有限空间内集成多个系统功能。因此，在实际应用中，尤其是在雷达和卫星通信应用中，开发高集成度共口径天线阵列的解决方案更为可取。

在已经发表的文献中，最早报道的多波段集成天线由波导缝隙平面阵列、分隔缝隙阵列和介质杆天线组成，可以满足许多复杂雷达系统的要求[2]。随后的研究主要集中在反射面天线和平面天线阵列上，其中对反射面天线中的多波段双极化馈电喇叭的研究投入了大量的精力[3-8]。在文献[9]中，工作在高频段的波导阵列在低频段同轴阵列内交错排列，能够实现用于电子束扫描应用的多波段和多极化阵列。这些报道中的多波段和多极化平面天线阵列通常用于雷达应用，特别是合成孔径雷达(SAR)[10]。另一方面，基于印刷电路板(PCB)的天线是通过使用“窗口概念”实现多波段共口径辐射的另一个首选解决方案，即在低频段贴片辐射片上切割“窗口”以容纳高频段贴片天线[11-13]。文献[14]中提出了一种共口径的双极化微带天线阵列，其工作在L、S和X 这3个波段。S和X波段天线为微带贴片天线，L波段天线为印刷偶极子天线。虽然采用印刷电路板技术实现的天线为多天线组装提供了更大的便利，但也不能忽视其效率低、相邻频带间的互耦以及多层基板的制造误差等缺点。

显然，对于某些特定情况，如机载或星载阵列，天线阵列应具有较高的辐射效率和坚固的结构。天线元件应首先与馈电网络结合，然后与有源模块(T/R模块)端接。为了获得更高的增益，在设计天线阵列时必须考虑馈电网的插入损耗。波导缝隙天线阵在满足这些特殊要求方面表现出了优异的性能。虽然波导缝隙阵列具有低损耗、结构坚固和良好的导热性能，但由于波导腔体积较大，很难在一个口径内构建多个波导天线。此外，报道的大多数工作利用两个天线共用相同的辐射孔径，例如双极化缝隙波导天线阵列[15-17]。文献[18]中报道了一种在Ku和Ka双频段工作的共口径波导缝隙天线阵列，采用脊波导宽边纵向偏置缝隙天线实现单一极化工作。文献[19]中报道了一种双频双极化天线阵列，水平极化(HP)为波导窄边倾斜缝隙天线，工作在35 GHz；垂直极化(VP)为脊波导宽边纵向偏置缝隙天线，工作在30 GHz。此外，文献[20]中提出了L波段双极化和X波段单极化天线阵列，但后者的口径效率较低(约66.9%)。2020年，文献[21]报道了一种双频双极化波导缝隙天线，其C波段双极化阵列的结构与文献[17]相似，但由于采用多脊腔设计，其L波段阵列体积较大。

笔者提出了一种高效的双频多极化共口径波导天线阵列结构，可实现L波段垂直极化和C波段双极化共口径工作。这种结构采用4×16规模的C波段双极化线阵和2×2规模的L波段垂直极化线阵组成了整个天线阵列。笔者对整个阵列进行了分析和实验验证。

1 天线阵列结构

如图1所示，所提出的双频多极化(DBMP)天线阵列由4对工作在C波段的双极化线阵(子阵)和两个L波段线阵(子阵)组成。整个阵列的尺寸为736 mm(Ml)×154 mm(Mw)×52 mm(Mh)。图1(b)给出了天线阵列的横截面图。C波段垂直极化子阵列由一个中心探针馈电脊波导构成，该脊波导具有16个偏置纵向缝隙，而C波段水平极化子阵列同样由一个中心探针馈电脊波导构成，该脊波导具有16个由成对膜片激励的横向缝隙[22]。C波段水平极化子阵位于垂直极化子阵上方约1/4波长处。L波段垂直极化子阵是背腔缝隙天线，通过金属桥实现中心同轴馈电，如图1(c)所示。L波段波导腔体位于C波段水平极化波导腔体下方和两个相邻C波段垂直极化波导腔体之间。C波段线阵的间距取决于最大波束扫描角的具体要求。与文献[17]相比，C波段水平和垂直极化波导天线的宽度进一步减小。此外，相邻C波段双极化波导腔体之间的间隙为L波段辐射缝隙提供空间，如图1(d)所示。L波段波导腔体的宽度与相邻C波段垂直极化波导天线的两个面对面壁之间的距离相同。

(a) 三维图

(b) 横截面

(c) 剖面图(L波段空腔及其金属桥馈电结构，包括3个C波段水平极化子阵和两个C波段垂直极化子阵)

(d) 顶视图

表1给出了天线阵列的参数数值。

表1 天线阵列参数数值 mm

2 天线阵列的设计与分析

波导天线阵列一般是子阵式谐振阵，由波导功分器对各个异形波导缝隙天线子阵激励馈电。笔者首先研究馈电异形波导功分器和异形波导缝隙天线的构型、高效率激励模式匹配问题。波导结构实现波导缝隙天线多波段和多极化共口径，是将不同形状波导在一个物理口径上进行嵌套或者叠加。其次研究天线辐射远场和波导内场在天线口径上的模式匹配问题，实现不同极化、不同波段之间的高隔离度和高效率辐射。最后，波导天线阵列与多种无源和有源功能模块高密度集成，重点研究天线阵列系统与机电热相关的多物理场匹配问题，实现天线阵列内部高低频、大功率传输下的高密度互连[23]。

2.1 L波段垂直极化子阵

笔者所设计的L波段垂直极化子阵列的几何结构如图1(c)所示，它包括两个矩形波导腔和4个带有两个同轴探针馈电端口的纵向缝隙。根据x方向波束扫描范围，首先确定C波段天线x方向间距Cdx=38.5 mm；然后根据脊波导主模传输截止频率和工程可实现性，确定C波段双极化天线的脊波导尺寸。为了抑制栅瓣，C波段天线y方向相邻缝隙间距小于最高工作波长，这里取Cdy=46 mm。同时，考虑到在双波段工作的共口径结构限制，L波段矩形波导腔体宽度LWw(16.2 mm)受相邻C波段垂直极化波导天线空间的限制。为了减小腔体尺寸，实现L波段的谐振工作，在矩形波导腔体里设计了馈电金属桥，此时矩形腔体高度LWh(36.1 mm)约为λ/6，其中λ是自由空间中低频波长。由于L波段和C波段的频率比为1∶4，所以L波段相邻辐射缝隙的间距取Ldy=4Cdy=184 mm，腔体长度LWl(356.5 mm)约为辐射缝隙间距的两倍。此外，影响阻抗带宽的纵向缝隙的宽度(LSw=2.8 mm)受相邻C波段垂直极化波导和水平极化波导之间间距的限制。纵向缝隙的长度约为0.58λ(LSl=145 mm)，实现谐振工作。在实际应用中，L波段子阵经功率分配器合成后，由T/R模块馈电。

2.2 C波段双极化子阵

如前所述，该双频多极化天线阵列具有4对C波段双极化波导缝隙天线子阵。水平极化子阵由膜片激励横向缝隙脊波导阵列实现，该阵列具有出色的极化纯度[24]。垂直极化子阵是通过配置偏置纵向缝隙脊波导阵列实现的。为确保x方向最大波束扫描角为20°，两个相邻C波段水平极化子阵或垂直极化子阵的间距(Cdy)选择为38.5 mm。水平极化波导天线和垂直极化波导天线的宽度应尽可能压缩，以便为L波段子阵列的波导腔和辐射缝隙留出足够的空间。为了获得紧凑的尺寸和轻量化，采用了具有中心同轴馈电的十六单元波导线阵。水平极化脊波导天线的尺寸为13 mm×12.6 mm(CHWh×CHWw)，垂直极化脊波导天线的尺寸为13.1 mm×14.7 mm(CVWh×CVWw)。

3 天线阵列的测试与分析

对所提出的双频多极化共口径波导天线模型进行了加工和测试。利用分层精密加工和多层真空钎焊技术，使该天线阵列样机的重量仅为1.58 kg，实物图如图2所示。在微波暗室采用矢量网络分析仪进行了天线端口驻波的测试，采用平面近场进行了天线方向图和增益的测试。

(a) 正面

(b) 背面

L波段子阵的测量结果如图3所示。

(a) 电压驻波比

从图3中可以看出，测试结果向高频偏移。这是因为天线采用多层零件机械加工和真空钎焊焊接成形，成形后的腔体尺寸比理论值偏小，导致驻波测试结果往高频偏移。无论是电压驻波比的仿真结果还是测试结果，都表明该L波段天线电压驻波比小于2的相对阻抗带宽约为12%。利用功分器测试了天线的辐射方向图，研究发现，在工作频带内，测量的主极化电平几乎保持不变，在均匀激励下表现出良好的辐射性能。此外，主波束内交叉极化电平比主极化电平低约35 dB。实测结果表明该L波段天线带内增益为9.6～10.2 dBi。

图4为C波段双极化天线的测试结果。由于受加工误差和多层焊接误差的影响，驻波测试结果比仿真结果稍大。但是无论仿真结果还是测试结果，在工作频段内双极化天线的端口驻波都小于2。由方向图测试结果可以看出，C波段双极化波导缝隙天线具有良好的极化纯度，在主波束内双极化天线的远场交叉极化小于-40 dB，带内增益为25.9～26.2 dBi。

为了说明笔者所设计天线的优势，表2给出了与其他相关文献的比较结果。与文献[17]相比，本双波段多极化共口径波导天线频率差距大，交叉极化电平低，天线效率高；与文献[18]相比，本双波段多极化共口径波导天线为多极化工作，工作带宽宽；与文献[19]相比，本双波段多极化共口径波导天线工作带宽宽，交叉极化电平低，隔离度高，天线效率高；与文献[20]相比，本双波段多极化共口径波导天线工作带宽宽，交叉极化电平低，剖面低，重量轻。

(a) 水平极化子阵的电压驻波比

(c) xz面水平极化子阵的方向图

(e) xz面垂直极化子阵的方向图

表2 笔者设计的天线与相关工作的对比

4 总 结

笔者设计了一种新型的基于波导结构的高效双频段多极化共孔径阵列天线。在矩形波导内采用电探针耦合结构给波导缝隙天线馈电，通过引入金属桥改变矩形波导的谐振频率，减小波导腔的尺寸，实现L波段波导缝隙天线的小型化。C波段双极化波导缝隙天线通过采用脊波导结构，压缩了波导横截面的尺寸，为L波段的波导腔体和辐射缝隙留下足够空间，实现了双频段多极化共口径和天线的低剖面高度及轻重量。该双频段双极化共口径波导缝隙阵列天线具有效率高、极化纯度好、双频段隔离度高等优点。设计并加工了工作于C波段8×16双极化天线和L波段2×2垂直极化天线的共口径波导缝隙阵列。仿真和测试结果表明，该L/C双频段多极化共口径阵列天线带宽分别优于约12%和5.5%，远场交叉极化分别优于约-36 dB和 -40 dB，隔离度分别优于约36 dB和66 dB，天线效率分别优于约88%和85%。该天线结构简单紧凑，可以满足一些高功率、高增益、低剖面的场合需求。同时，基于波导结构的双频段多极化共口径天线设计也为高效率、高可靠的多频段、多极化共口径天线提供了一种新的实现途径。