一種新型U 頻段圓極化介質棒天線

高 初，賴清華，陳 明

(中國電子科技集團公司第三十八研究所，合肥 230088)

0 引言

毫米波成像系統可以獲取目標的輻射分布差異特性并產生圖像，從而推測對應目標的形狀、體積、距離和材料等特性。相關技術在軍事領域有偵察、制導、反隱身、探測等應用，在民用領域則有公共安全、醫學、遙感等應用［1-2］。從分辨率和溢出損耗兩個方面綜合考慮，天線應當具有小截面和高增益的特性［3］。因此，靠軸向尺寸而不是截面尺寸獲取高增益的介質棒天線受到了研究人員的高度重視。

介質棒天線是一種表面波端射天線，通過合理的設計，可實現窄波束和高增益。該類型的天線還有陣元間互耦弱和寬頻帶內具有較低的反射損耗、較低的副瓣、較低的交叉極化電平等特點，與喇叭等饋源天線相比可以更小的溢出損耗實現對透鏡或者反射面天線的照射。從加工的角度考慮，介質棒電磁性能對幾何尺寸變化不敏感，對加工精度要求不高［4］。

現有的圓波導圓極化器主要有兩種設計方法:一是在圓波導中插入介質片［5］，二是在圓波導壁上開凹槽或加銷釘［6-7］，二者的圓極化性能接近。但是，U波段天線各組成部分的尺寸很小，對加工誤差比低頻段敏感。考慮到波導機械加工易于保證相關尺寸的精度，且不易變形，在該頻段選擇圓波導壁上開凹槽形式的圓極化段。

本文設計了一種U波段圓極化介質棒天線。整個天線由同軸矩形波導變換段、矩圓波導變換段、凹槽形式的圓波導極化段和圓形錐削介質棒組成。采用HFSS 優化設計得到了6%的帶寬內駐波優于1.5，軸比優于2 dB，3 dB波束寬度約為22°的良好效果。同軸矩形波導變換段和矩圓波導變換段的設計較為常規，以下著重論述圓波導極化段和圓形錐削介質棒。

1 圓極化段的設計

圓極化段的結構如圖1所示，由1 段圓波導和8個分布在兩條線上的凹槽組成。兩條線組成的平面則與入射的TE11模極化方向成45°。經過圓極化段的傳播，在圓波導另一側形成兩個正交的模式;二者幅度相等，相位差90°;輸出模式所在方向一個在8個凹槽組成的平面，一個與之垂直。

圖1 圓極化段示意圖

每一個含一對凹槽的圓波導段可以視為一個圓波導與矩形波導正交的四端口器件。根據設計4分支3 dB定向耦合器的方法，每一個凹槽的尺寸可以由耦合關系確定［6］，即

其中，A1為兩端2個帶凹槽圓波導的散射參數S31，Z1為修正后的兩端分支矩形波導的特性阻抗，A2為中心2個帶凹槽圓波導的散射參數S31，Z2為修正后的中心分支矩形波導的特性阻抗。修正后的分支矩形波導阻抗Z1和Z2為4分支3 dB定向耦合器的解，使得分支矩形波導在對應頻段的中心頻率有了理想匹配。

凹槽中心的間距則由圓波導TE11模中心頻率波導波長決定［6］，即

以上參數可以通過全波仿真軟件如HFSS 求取。優化后，1、4 段長度為1.9 倍圓波導半徑，2、3 段長度為1.5 倍圓波導半徑。各段寬度均為0.3 倍圓波導半徑。1、2 段中心間距和3、4 段中心間距為2.6 倍圓波導半徑;2、3 段中心間距為1.9 倍圓波導半徑。圖2和圖3分別是仿真所得的圓極化段的兩個正交TE11模式的傳輸幅度差和傳輸相位差。

圓波導主模通過圓極化段后得到的兩個正交模式的幅度差異不超過0.15 dB，相位差異與90°相比不超過4°。該圓極化段可以作為圓極化天線的激勵源。

圖2 圓極化段的幅度傳輸特性

圖3 圓極化段的相位傳輸特性

2 介質棒的設計

介質棒的示意圖如圖4所示，包括匹配段、安裝段和輻射段。

圖4 介質棒示意圖

圓波導中的激勵將沿介質棒軸向傳播，大部分向空間輻射，少部分被介質棒終端反射。通過優化輻射段的外形可以減小介質附近束縛的電磁波的能量，增加進入自由空間的電磁波的能量，有效地提升輻射效率。安裝段則插入圓波導中，起到固定的作用，同時使產生的表面波在匹配段和輻射段之間傳播時產生連續輻射，提高效率。匹配段的形狀將影響天線的駐波。

選用介質棒的基模HE11模作為工作模式。為了減小色散對帶寬的影響，選用低介電常數的介質材料交聯聚苯乙烯(相對介電常數εr為2.53）。為了保證不激勵高次模，對介質棒根部的直徑有一定的限制［3］，即

天線根部的直徑過小會在帶寬和副瓣方面帶來影響，故選擇介質棒根部直徑約為λ0。

輻射段的長度決定了天線的波束寬度和增益。過短不能有效匯聚能量，導致增益偏低;過長則發生反向抵消的現象，增益亦有損失。近似的最佳長度為［3］

其中，s為輻射段長度，kx和k0分別為介質中和空氣中的波數。

從最佳長度出發，借助HFSS 軟件，按照輻射段、安裝段、匹配段的順序逐步優化輻射段的形狀，得到一個窄波束的介質棒天線，輻射段長度約為8λ0，如圖5所示。

圖5 介質棒天線

3 結果及分析

針對第2節中設計得到的介質棒天線，采用HFSS進行了仿真和駐波測試工作。該頻段結構尺寸很小，對加工進度要求較高。此外，介質棒材料具有一定的彈性，導致加工中存在細微的偏心現象。端接式波導同軸變換段存在約0.1 mm的極小尺寸，給加工和裝配帶來了困難。各種誤差造成了仿真結果與實測結果的差異。

圖6 給出了設計頻帶內駐波的測試結果。實測頻帶內駐波優于1.9，高于仿真值，系加工誤差所致。

圖6 實測駐波曲線

仿真所得的中心頻率的方向圖和軸比分別如圖7和圖8所示。主瓣3 dB波束寬度約為22°。交叉極化為－20 dB，副瓣電平在－16 dB左右，方向性系數約為18.1 dB，軸比約為1.6 dB。兩個邊頻的相關電性能與中心頻率的電性能類似。在設計頻帶內，得到了良好的圓極化特性。

圖7 仿真所得中心頻率方向圖

圖8 仿真所得中心頻率軸比

4 結束語

本文設計了一種圓極化介質棒天線，著重分析了凹槽型圓極化段和介質棒的設計方法。根據仿真和部分實驗結果，考察了天線的駐波、副瓣、波束寬度、3dB波束寬度、軸比和方向性系數等特性。小截面尺寸、良好的圓極化性能和窄波束寬度使得該天線適用于U頻段多饋源反射面或透鏡系統。

［1］Richter J，Nbtel D，Kloppel F.A multi-channel radiometer with focal plane array antenna for wband passive millimeter wave imaging［C］// Microwave Synposium Digest.，IEE MTT-S International，2006(11-16）:1592-1595.

［2］Richter J，Schmidt L-P.Dielectric rod antennas as optimized feed elements for focal plane arrays［C］//Antennas and Propagation Society International Symposium，2005，3-8(3）:667-670.

［3］王楠楠，等.Ka 頻段介質棒天線優化設計［J］.電波科學學報，2010(1）:161-166.

［4］王楠楠，等.毫米波FPA 成像系統饋源天線研究［J］.系統工程與電子技術，2010 (8）:1644-1648.

［5］劉微，等.一種新型圓極化寬帶喇叭天線［J］.電子測量技術，2007(5）:169-171.

［6］Yoneda N，Miyazaki M，Matsumara H，Yamato M.A design of novel grooved circular waveguide polarizers［J］.IEEE Trans.on Microwave Theory and Techniques，2000，48(12）:2446-2452.

［7］曾暉.K波段圓極化高效率饋源的設計［J］.廣播與電視技術，2000(3）:117-124.