一種新穎的圓極化波導陣列天線設計

(中國電子科技集團公司第三十八研究所,安徽合肥230088)

0 引言

隨著衛星通信、遙控遙測技術的發展,雷達應用范圍的擴大,以及對高速目標在各種極化方式和氣候條件下跟蹤測量的需要,單一線極化方式已遠難滿足要求,圓極化天線的應用就顯得十分重要。圓極化波具有抗云雨衰減、抗多徑衰減、可消除由電離層法拉第旋轉效應引起的極化畸變的影響等。因此,圓極化天線廣泛應用于通信、雷達、電子對抗、遙測遙感、天文及電視廣播等方面。

現代雷達系統中,為了滿足對特定空域的覆蓋要求,常常需要對天線波束進行賦形設計。對于場面監視雷達而言,主要用于發現低空近地目標和機場場面目標,而雷達假設的塔臺高度往往在20～150 m,因此對于天線俯仰面要求具有-37°～0°近似倒余割平方的波束覆蓋。

常見的圓極化天線有圓極化微帶貼片天線[1]、圓極化行波波導縫隙天線[2]、帶有寄生振子的圓極化波導縫隙天線[3]、圓極化徑向線縫隙天線[4]等。微帶天線效率較低、行波陣天線波束發生色散、帶寄生陣子的波導縫隙天線加工難度較大,徑向線縫隙天線口徑固定難以波束賦形。

本文介紹了一種Ku波段24×16單元圓極化波導縫隙平面天線陣設計,其輻射縫隙采用縱向細長縫隙耦合四脊方形喇叭,實現圓極化的性能[5]。為滿足波束覆蓋的要求,饋電網絡采用矩形波導窄邊耦合器結構的功分網絡和配相波導,采用幅相加權的方式,實現圓極化波導縫隙平面天線陣的波束賦形的性能。

該天線為波導縫隙駐波天線陣,具有波導駐波天線陣的效率高、波束指向統一等所有優點;整個天線采用成熟的縫隙波導天線加工工藝,材料單一,加工難度低、自身強度高、工作可靠。

1 圓極化輻射單元設計

為實現天線陣的圓極化工作,輻射單元采用一種新形縱向細長縫隙耦合四脊方形開口波導的組合式輻射縫隙,細長縫隙為矩形波導寬邊開設的縱向直縫隙,細長縫隙與四脊方形波導的對角線重合,輻射單元的結構組成如圖1所示。

圖1 圓極化輻射單元模場分布

矩形波導寬邊縱向細長縫隙耦合激勵四脊方形開口波導,產生兩個正交模式TE01模和TE10模,調節四脊波導脊的高度,使兩個正交分量幅度相等。由于兩個模式傳輸的相速不同,通過調節四脊方形開口波導的長度,使兩個等幅正交電磁分量在開口波導輻射口面實現90°的相位差,從而實現圓極化性能。

2 線陣設計

采用上邊介紹的圓極化輻射單元,設計了圓極化波導縫隙天線線陣,選取線陣單元數為24,由兩級一分二功分器分為4個子陣,如圖2所示。整個陣面的設計是基于有限元方法的電磁分析商業軟件HFSS來完成的,天線單元導納與幾何參數提取與常規縫隙波導天線設計方法相同[6],仿真設計的單根線陣典型結果如圖3所示。在3%工作頻帶內天線軸比小于3.0 dB。

圖2 單根圓極化縫隙波導天線陣

圖3 單根圓極化縫隙波導天線陣軸比仿真結果

3 賦形網絡設計

為實現天線陣俯仰面賦形波束的要求,擬采用幅度、相位加權的方式實現倒余割平方的波束方向圖,為了降低饋線損耗、降低加工難度,賦形網絡采用金屬波導形式,主要由矩形波導窄邊耦合器、配相波導和匹配負載組成。賦形網絡采用由波導窄邊耦合器組成的1∶16功分網絡技術方案,其結構示意圖如圖4所示。幅度分布由波導耦合器不同耦合度實現,相位分布采用不等長矩形波導和寬邊不同的矩形波導相結合的相位補償技術方案,其結構示意圖如圖5所示。

采用上述的賦形網絡技術方案,經過對整個饋電網絡優化仿真,其結果表明,各輸出口之間的帶內相對幅相偏差可控制在±0.2 dB/±1°以內。

圖4 1∶16波導功分網絡結構示意圖

圖5 配相波導結構示意圖

4 測試結果

最終設計完成的24×16單元的圓極化波導縫隙天線陣結構示意圖如圖6所示,整個天線陣面分為6層結構,各層零件采取精密機械加工一次成型,多層板采取真空釬焊焊接技術。加工而成的實物照片如圖7所示。

圖6 24×16單元天線陣示意圖

圖7 24×16單元天線陣實物照片

在平面近場微波暗室內對天線陣的各性能指標進行了測試,結果表明該天線在15.9～16.5 GHz的設計頻帶內駐波比優于1.6,賦形波束覆蓋-40°～0°,軸向軸比優于3.0 dB。

天線陣端口VSWR仿真與測試結果如圖8所示,結果顯示天線陣在15.8～17 GHz頻帶內駐波比優于2.0,與仿真結果很好吻合。

帶內典型的方向圖仿真與測試結果如圖9所示,天線陣俯仰面方向圖賦形區域覆蓋-40°～0°,方位面方向圖最大副瓣電平優于-12 dB,與仿真結果吻合很好。

圖8 24×16單元天線陣駐波測試曲線

圖9 24×16單元天線陣中頻波瓣測試結果

帶內典型的軸比仿真與測試結果如圖10所示。由圖10(a)可以看出,在俯仰面內其軸向軸比仿真和測試結果都小于1 d B,在-40°～0°賦形區域的范圍內,仿真結果小于4 dB,實測結果軸比小于6 d B;由圖10(b)可以看出,在方位面內其軸向軸比仿真和測試結果都小于1 dB。

圖10 24×16單元天線陣中頻軸比測試結果

5 結束語

本文介紹了一種Ku波段24×16單元圓極化縫隙波導陣列天線的設計,為實現圓極化工作,輻射單元采用新型縱向縫隙耦合四脊開口波導形式;為了滿足賦形波束的要求,賦形網絡采取矩形波導窄邊耦合器與配相波導一體化加工設計技術手段。最終采用幅相加權實現了天線陣在3%的頻帶內,總口駐波小于1.6,俯仰面實現-40°～0°波束覆蓋,軸向軸比優于3.0 dB。結果表明,這些技術措施十分有效,可用于同類型圓極化波導縫隙陣列天線的設計。

[1]鐘順時.微帶天線理論與應用[M].西安：西安電子科技大學出版社,1991：215-266.

[2]ANDO M,GOTO N,HIROKAWA J,et al.Slotted Leaky Waveguide Array Antenna：US,5579019A[P].1996-11-26.

[3]TAKADA J,ANDO M,GOTO N.An Equivalent Circuit of a Slot in Radial Line Slot Antennas[J].IEEE Trans on Electronics,1991,74(9)：2922-2928.

[4]STILWELL R K,WALLIS R E,EDWARDS M L.A Circularly Polarized Electrically Scanned Slotted Waveguide Array Suitable for High Temperature Environments[C]∥IEEE Antennas and Propagation Society International Symposium Proceedings,[S.l.]：[s.n.],2003：1030-1033.

[5]張洪濤,汪偉.圓極化波導駐波天線：中國,200910185457.3[P].2013-01-30.

[6]齊美清,汪偉,金謀平.基于HFSS的波導裂縫有源導納的計算方法[J].雷達科學與技術,2006,4(2)：121-124.QI Mei-qing,WANG Wei,JIN Mou-ping.Computation Method for Active Admittance of Waveguide Slot Based on HFSS[J].Radar Science and Technology,2006,4(2)：121-124.(in Chinese)