一種雙扼流槽雙極化低旁瓣陣列天線

宋長宏 吳 群 張文靜 路志勇

（1.哈爾濱工業大學電子信息工程學院，黑龍江 哈爾濱 150001；2.中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081）

引 言

微波通信系統要求天線具有雙極化、低副瓣、高隔離度、寬波束等指標特性.傳統的雙極化天線多采用反射面天線和陣列天線兩種形式:反射面天線多應用于高增益、窄波束的場合；雙極化陣列天線主要有波導和微帶兩種形式，波導天線一般采用分口徑形式，口徑利用率較低，而微帶天線雖然可以全口徑利用，但天線輻射效率低、饋線損耗大、極化純度不高、一般極化隔離度為-20dB左右［1］，且隨著頻率的升高，網絡饋線間的互耦、寄生輻射、色散特性越來越嚴重，從而使設計難度加大［2］.

文中提出一種利用角錐喇叭作為輻射單元共口徑輻射的雙極化平板陣列天線，天線單元間緊密排放，可大大提高天線的有效輻射面積，同時角錐喇叭具有高定向性和高極化純度.天線陣列采用饋電網絡與輻射單元一體化設計，利用數控加工，天線結構緊湊、加工精度高、易裝配.饋電網絡采用空氣同軸線結構，具有損耗低、屏蔽效果好的特點.

天線方位面（兩單元面）采用加載雙扼流槽的辦法實現了方向圖旁瓣電平小于-16dB，-3dB波束寬度大于21°，滿足系統對方位面寬波束低副瓣輻射的特殊要求，天線陣列俯仰面采用加權饋電，實現-16dB的旁瓣電平.

圖1 單元結構

1 單元設計

天線單元結構如圖1所示，天線由上到下三層結構，分別是輻射層、饋電層、背腔層.輻射層角錐喇叭陣列結構，根據天線陣列俯仰、方位面波束寬度的要求確定喇叭口徑尺寸a=24mm，b=32mm，喇叭過渡高度h6=25mm.饋電層實現單元饋電和功率合成，采用探針激勵方式，同軸內導體采用厚度為0.127mm、介電常數為2.2、損耗正切為0.0009的介質板來實現，印制電路板（Printed Circuit Board，PCB）加工工藝可以保證較高精度，較薄的介質材料可使同軸線近似于空氣同軸線，這樣大大降低了饋線的介質損耗.兩極化饋電探針分別在上下兩層，實現正交雙線極化饋電，通過調節線寬和調配圓盤的尺寸，可使同軸線與喇叭實現良好的匹配.由于上層探針對下層探針的影響，使下層極化端口的駐波惡化，可通過調節背腔內匹配塊的高度h4，使其達到理想的匹配，仿真優化得到匹配塊高h4=6mm.

根據天線工作中心頻率9.5GHz，確定方波導寬w=18mm，背腔高度h2=22mm，喇叭總高度h1=50mm，兩極化饋電縱向距離h5=3.5mm，同軸外導體高4.6mm，寬2.8mm，同軸內導體的線寬為0.5mm，調配圓盤半徑r=1.7mm.確定單元尺寸后，利用電磁場仿真軟件（High Frequency Structure Simulator，HFSS）對天線單元進行全波仿真計算，天線單元主極化、交叉極化方向圖、回波損耗曲線如圖2所示.

圖2 單元仿真曲線

從圖2仿真結果來看，兩極化端口回波損耗S11、S22帶寬內小于15dB，而極化端口隔離S21僅小于-20dB，這是因為同軸探針饋電兩極化端口耦合影響所致，陣列設計中利用反相饋電技術可以使S21得到改善.

2 陣列設計

根據系統對波束寬度的要求，天線陣列形式確定為2×4，如圖3所示方位面兩個輻射單元，俯仰面四個輻射單元.為了實現俯仰面四單元合成輻射方向圖低旁瓣設計，采用傳統的泰勒加權方法，利用饋電網絡實現不等功率分配，如圖3（b）、（c）所示空氣同軸不等功分饋電網絡示意圖.方位面兩個單元無法實現加權設計，采用加載雙扼流槽的辦法降低方位面方向圖旁瓣，如圖3（a）所示在陣列天線周圍加載了雙扼流槽結構.

圖3 陣列結構

2.1 泰勒加權

泰勒線源方向圖F（ψ）根據式（1）進行幅度加權計算［7］:

式中:ψ=Lu／λ，L= （N-1）d，u（θ）=sinθ-sin θs，θs為波束掃描角度；A=arcosh RdB／π，RdB／dB為旁瓣值，當給定RdB，求解方程（2），可得解A，再將其代入式（1）就可求得F（ψ）.

當采用離散的分布單元加權來逼近F（ψ）時，可根據式（3）進行計算.

取RdB=-18dB，N=4，經計算口面幅度分布為0.714∶1∶1∶0.714，其中陣列中心兩單元幅度為1，邊緣兩單元幅度為0.714，利用不等功分網絡實現上述功分比，饋電網絡如圖3（b）、（c）所示.陣列中采用反相饋電技術改善陣列極化隔離度，天線陣列的仿真結果如圖4（a）所示，俯仰旁瓣電平在-17dB以下.

圖4 陣列仿真方向圖

2.2 雙扼流槽設計

為了實現方位面低副瓣設計，在陣列外圍加載雙扼流槽，扼流槽外形結構如圖3（a）所示.扼流槽由套在喇叭外沿兒的溝槽來實現，槽深一般為1／4波長，中心波導內傳輸TE10模.喇叭開口輻射電流主要包括波導內壁電流、喇叭開口端電流、喇叭外壁電流.其中喇叭外壁電流對天線的方向圖影響很大，采用雙扼流槽可以控制喇叭口外壁電流，以達到方位面降低副瓣的目的.理論上兩單元天線等幅同相饋電的旁瓣是-13.34dB，經過仿真計算得到方位面方向圖第一旁瓣電平達到-16dB以下，-3dB波束寬度大于21°，如圖4（b）所示，其中槽寬4.5mm，槽深8mm，槽間距9mm.

3 試驗結果分析

基于以上設計，加工了天線陣列實物，如圖5所示，天線采用鋁材數控加工，利用銷釘將三層鋁件進行準確定位，借助螺釘將兩層印制板與天線緊密壓接，雙面印制板敷銅加工保證層與層之間導電充分，采用同軸接插件饋電形式.對天線的兩極化E面和H 面方向圖、兩端口S參數進行了測試，結果如圖6所示.

圖5 陣列實物

圖6 陣列實測結果

從圖6測試結果來看:天線兩主極化俯仰面、方位面方向圖曲線與仿真結果比較吻合，旁瓣電平均滿足在-16dB以下；S11、S22在帶寬內小于-10 dB，水平極化S22相對較好，與仿真結果較為吻合，基本在-15dB以下；極化端口隔離度在9.5GHz±500MHz內小于-35dB，兩極化交叉極化電平在-40dB以下，與單元仿真結果比較，采用反相饋電技術較好地改善了陣列天線的交叉極化隔離度指標.

4 結 論

本文提出了采用角錐喇叭作為輻射單元的陣列天線，同時結合同軸網絡泰勒加權技術、雙扼流槽加載技術、反相饋電技術實現了2×4雙極化陣列天線高隔離度、低旁瓣設計.通過對天線實物的測試，驗證了仿真結果和設計方法的有效性.文中的陣列天線形式及低旁瓣設計方法可應用在較大型的雙極化低旁瓣陣列天線設計中，而扼流槽加載技術可應用在寬波束、低旁瓣的天線設計中，此平板陣列天線已得到了工程應用.

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