一種新型高效率雙極化背腔陣列天線

劉二平，宋長宏

(1．海軍駐保定地區軍事代表室，河北 保定 071000; 2．中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

一種新型高效率雙極化背腔陣列天線

劉二平1，宋長宏2

(1．海軍駐保定地區軍事代表室，河北 保定 071000; 2．中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

針對衛星通信系統對雙極化天線的隔離度、口徑效率及端口隔離度等指標提出的要求，設計了一種高效率雙極化背腔陣列天線，天線輻射單元采用方口喇叭，輻射效率高，采用空氣懸置帶線饋電網絡大大降低了饋電損耗，采用反相饋電技術改善了天線的交叉極化隔離度。重點討論了2×2子陣的口徑效率、交叉極化和端口隔離。利用仿真軟件進行了優化仿真分析，在此基礎上研制了16×32陣列樣件，對其電性能進行了測量，測試結果表明，此雙極化陣列天線具有輻射效率高、交叉極化電平低、端口隔離度高的特點。

雙極化；背腔；交叉極化；口徑效率

0 引言

隨著衛星通信技術的發展，對天線的要求越來越高，不僅要求天線具雙極化輻射、高增益和高隔離度，同時要求天線具有低輪廓、高效率和小型化等特點［1］。目前采用平面陣列天線形式是實現天線低輪廓、小型化的主要途徑。文獻［2，3］報道的雙極化陣列天線主要以微帶天線為主，微帶陣列天線的特點是低輪廓、小型化、加工精度高和易集成，但饋線冗長、損耗大及輻射效率低，尤其是極化隔離度只有10～20 dB，較差的端口隔離度將嚴重影響通信質量，尤其在極化分集的通信系統中對通信質量影響會更大。采用波導結構的雙極化陣列天線饋線損耗低、輻射效率高，但是結構笨重、帶寬窄，且實現雙極化技術并不成熟［4］。

1 單元設計

1.1 結構設計

如圖1所示，天線輻射單元由方口喇叭、饋電網絡和背腔組成，利用探針激勵方形腔體實現對方口喇叭饋電，探針采用印制板敷銅結構實現，該結構的優點是加工精度高、損耗低可實現任意結構形式。微波板材為TACONIC公司的TLY－5A型號，厚度為0．127 mm，介電常數為2．2，損耗正切為0．000 9。利用功分網絡實現4個單元的能量合成，背腔結構保證了天線的定向輻射，饋電網絡分為上下兩層，探針正交放置，實現正交雙線極化激勵，網絡上下兩層放置可使兩極化功分網絡不交叉。

圖1 外形結構

1.2 仿真分析

選擇天線的工作頻段為23～26 GHz，方口喇叭口徑尺寸A=0．87λ，方腔邊長尺寸為B，參數B決定天線的工作頻段，通常取B=λ/2(λ中心頻率對應的波長)，喇叭間距為D=0．92λ，選擇合適的單元間距可獲得較高的組陣效率，采用此種組陣方式可以充分利用口徑面積提高口徑輻射效率。

利用三維電磁場仿真軟件HFSS對2×2子陣單元進行了優化仿真設計，以口面輻射效率為優化目標，其中喇叭口徑A=10．75 mm，高度H3=4 mm，腔體寬度B=6．87 mm，喇叭間距D=11．25 mm。仿真設計中發現喇叭高度H3對天線效率影響較大，通過優化設計H3可以獲得較高的輻射效率，如圖2所示方向圖增益隨參數H3變化曲線，當H3=4 mm時增益為16．5 dB，2×2子陣天線口徑尺寸為24 mm× 24 mm，對應的天線口徑效率為92%。

圖2 2×2子陣方向圖

懸置帶線以探針形式激勵腔體，饋電探針末端與匹配盤之間留有一定的間隙，上下層匹配盤的直徑分別為R1和R2，調整匹配盤的直徑可實現對天線匹配的調諧。

2 雙極化特性分析

雙線極化天線端口隔離度，交叉極化電平是至關重要的指標，也是雙極化陣列天線難以實現的指標，作為各種形式的雙極化微帶陣列天線來說由于輻射單元、饋線間耦合影響較大，導致交叉極化和端口隔離的指標惡化，這是這類天線普遍存在的問題。文中提出的天線單元結構，喇叭張口較大，方向圖波束較窄所以耦合較小，同時饋線封閉的導體腔內饋線無寄生效應，饋線間耦合較小，但是作為探針結構的極化雙工器，上下層探針的耦合會導致交叉極化和端口隔離度惡化，工程上一般在－25 dB左右［5］。為了進一步提高天線極化純度和端口隔離隔離度指標，采用反相饋電技術，如圖3所示。

圖3 反相饋電網絡

相鄰2個喇叭單元的探針饋電方向是相反的，為了實現電場同相疊加，需要180°相位延遲處理，這樣經過反相饋電和相位延遲再經過功率合路實現了2個單元電場的同相疊加，在此過程中抑制了交叉極化分量提高了兩極化端口隔離，降低了交叉極化電平，如圖4給出了主極化和交叉極化方向圖的仿真結果。

圖4 交叉極化

從仿真結果來看，2個正交極化的交叉極化電平小于－45 dB，兩極化的端口隔離小于－40 dB，由此可見，采用反相饋電技術大大降低了天線的交叉極化電平，改善了兩極化端口隔離度。

3 陣列設計與實測結果

基于2×2子陣設計，加工了16×32陣列天線樣件，天線陣列的整體結構分為3層，分別為輻射層、饋電網絡層和背腔層。采用數控分層加工的方法，印制板擠壓在每層之間，利用銷釘定位、螺釘壓緊的裝配方法，保證電磁波屏蔽。對天線樣件進行了實測，從實測結果來看，帶寬內(23～26 GHz)天線陣列增益大于35．8 dB(當頻率為23 GHz時)，天線口徑尺寸為190 mm×380 mm，口面效率大于70%，陣列口面效率比單元天線效率比較有所下降，主要是因為裝配精度、饋電網絡損耗等因素所致，交叉極化電平小于－40 dB，端口隔離度小于－35 dB，2個端口的回波損耗小于－15 dB。

4 結束語

給出了一種背腔結構的雙極化陣列天線，介紹了2×2子陣的設計方法，給出了子陣單元的輻射特性，重點分析了該天線交叉極化和端口隔離指標特性，并采用反相饋電技術改善了天線的交叉極化電平和端口隔離度的技術指標，最后加工和實測了16×32陣列天線樣件，測試結果表明天線陣列口面效率大于70%，端口隔離度小于－35 dB和交叉極化電平小于－40 dB。在要求小孔徑天線的衛星通信系統中，此種天線具有很好的工程應用前景。

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A Novel High-efficiency Dual-polarization Cavity-backed Array Antenna

LIU Er-ping1，SONG Chang-hong2
(1．Military Representative Office of PLA Navy Stationed in Baoding Region，Baoding Hebei 071000，China; 2．The 54th Research Institute of CETC，Shijiazhuang Hebei 050081，China)

In this paper，a novel dual-polarization cavity-backed array antenna at K-band is introduced．The radiation aperture-efficiency，cross-polarization，port isolation of a 2×2 sub-array are discussed，and optimized by software．A 16×32 array prototype is developed and tested．The measurement results show that the dual-polarization array antenna proposed in this paper has characteristics such as high efficiency，low cross-polarization level and high port isolation．

dual-polarization;cavity-backed;cross-polarization;aperture-efficiency

TN82

A

1003－3114(2015)05－64－3

10.3969/j.issn.1003－3114.2015.05.17

劉二平，宋長宏．一種新型高效率雙極化背腔陣列天線［J］．無線電通信技術，2015，41(5):64－66．

2015－04－20

劉二平(1977—)，男，工程師，主要研究方向:機電一體化設計。宋長宏(1980—)，男，高級工程師，主要研究方向:寬帶陣列天線、共形天線設計。