雙極化全并饋縫隙陣天線設計

王中一 楊麗娜 張寧寧

(中國空空導彈研究院 河南洛陽 471009)

0 引言

新一代空空導彈將逐漸主宰空中戰場，成為奪取制空權和制信息權的主戰導彈，與早期導彈相比，抗干擾種類及要求越來越高。極化作為天線的一個重要特性，可以為導彈在速度、距離信息的基礎上提供額外的信息，實現對目標、干擾的識別和對抗。作為探測系統的重要組成部分，雙極化天線成為了研究重點之一[1-2]。波導縫隙天線不但剖面低、體積小、重量輕，而且具有較高的輻射效率和增益，更易實現低副瓣，因此研究雙極化波導縫隙天線對小型化、多極化、高效率毫米波末制導系統的發展具有重要意義。

傳統的雙極化波導縫隙駐波陣列采用串聯饋電方式來激勵輻射縫隙，長線效應使得天線的工作帶寬受到了限制，研究學者為了擴展波導縫隙陣天線的帶寬，采取的方法主要有四種：一是將天線分成若干個子陣；二是采用中間饋電的饋電方式[3]；三是采用雙縫來代替單縫作輻射單元[4]；四是采用脊波導來代替矩形波導[5]。這些方法雖然能夠增加波導縫隙天線的帶寬，但是未改變縫隙天線串聯饋電的本質，無法從根本上解決帶寬受限的問題。

2005年Sehyun Park等在文獻中提出了采用矩形波導諧振腔開±45°的兩條正交縫隙的形式實現雙極化[6]，但該形式天線為避免出現柵瓣，應用了很多介質材料，從而損耗較大，天線效率低。2009年孟明霞等提出采用單脊波導寬邊偏置縫為波導諧振腔饋電[7]，波導諧振腔上方開一定角度的斜縫，相鄰諧振腔上的輻射縫隙正交，在偏置縫對側增加金屬調諧塊改善駐波的方法來取得寬帶雙極化，但該形式天線需要對每個偏置縫處的金屬進行單獨調諧，增加了設計和加工難度。2014年Dongjin Kim等提出了一種全并饋形式的雙極化波導縫隙天線[8]，采用“十”字型縫隙單元實現輻射兩種線極化，并且各縫隙單元間為并聯饋電，有效提高了雙極化波導縫隙天線的駐波帶寬和增益帶寬。

本文以2×2雙極化全并饋縫隙天線子陣為基礎，開展共口徑雙極化全并饋縫隙陣天線的設計。文中首先采取理論分析和仿真優化的方法，在Ka頻段對單元輻射部分關鍵參數進行仿真分析，得到其變化趨勢對天線性能的影響，掌握輻射部分的設計方法，為后續陣列天線的設計奠定基礎；接著對全并饋縫隙天線子陣饋電網絡進行選型設計和結構布局，從而實現整個天線的電性能設計和結構設計；最后開展天線實物加工及測試，并進行實測數據與仿真設計數據的對比分析，完成設計驗證。

1 天線單元設計

1.1 天線單元結構及工作原理

雙極化全并饋縫隙陣天線的各縫隙單元間采用并聯饋電，進而避免了串聯饋電帶來長線效應的影響，有效提升了縫隙天線的工作帶寬。該縫隙陣天線單元將兩種極化合并為一個單元，且該單元由一個2×2的子陣組成，單元之間為并聯饋電關系。圖1是雙極化全并饋縫隙陣天線單元的結構圖，定義沿x軸方向為垂直極化方向，沿y軸方向為水平極化方向；從上到下依次為雙極化輻射縫隙層，四脊波導傳輸層，雙極化耦合縫隙層，水平極化饋電網絡層，垂直極化耦合縫隙層，垂直極化饋電網絡層。

圖1 雙極化全并饋縫隙陣天線單元結構模型

天線單元采用“十”字輻射縫實現雙極化功能，四個輻射縫隙共用一個空腔波導，空腔波導為四脊波導。四脊波導中的TE10模與TE01模，其磁流方向分別在寬邊與窄邊中線處最強，因此將兩個模式的激勵縫隙分別放置于寬邊與窄邊的中線處時，就能夠在四脊波導中分別激勵起TE10模和TE01模，而兩個激勵縫隙也就形成了“十”字耦合縫。通過改變“十”字耦合縫的縫長和縫寬，來調節耦合能量的強弱，實現饋電部分和輻射部分的阻抗匹配。

電磁波從垂直極化饋電波導饋入時，由垂直極化耦合縫耦合到水平極化波導，經過水平極化波導上方的雙極化耦合縫隙進入四脊傳輸波導，在四脊傳輸波導中激勵起 TE10模，電磁波在四脊傳輸波導中將高次模截止，TE10模在四脊波導中沿z軸方向傳輸，TE10模式的y方向磁場在輻射縫隙層經垂直極化縫隙選取，最后將電磁波輻射到自由空間。圖2為垂直極化饋電波導到雙極化耦合縫隙傳輸過程中的磁場示意圖，垂直極化方向為x方向。

圖2 垂直極化饋電磁場示意圖

電磁波從水平極化波導饋入時，直接由雙極化耦合縫隙層饋入四脊傳輸波導，在四脊波導中激勵起 TE01模，電磁波在四脊傳輸波導中將高次模截止，TE01模在四脊波導中沿軸向傳輸，TE01模的x方向磁場在輻射縫隙層經水平極化縫隙選取，最后將電磁波輻射到自由空間。水平極化饋電波導到雙極化耦合縫隙傳輸過程中的磁場示意圖如圖3所示，水平極化方向為y方向。

圖3 水平極化饋電磁場示意圖

令天線工作在Ka波段，“十”字耦合縫隙下端的兩個極化饋電波導均采用矩形波導。天線設計過程中需要綜合考慮天線單元間距、矩形波導尺寸、波導壁厚等參數，保證天線陣面和饋電網絡布局的工程可實現性。此處，矩形波導的寬邊和窄邊尺寸分別選取5.6mm與2.4mm。根據理想縫隙輻射原理，選定輻射縫隙長的初值為0.5λ。

1.2 重要結構參數對天線性能影響

四脊波導內傳輸的電磁場不對稱，會導致相鄰輻射縫輻射不均勻，而四脊波導的結構尺寸影響兩個主平面方向圖的柵瓣值大小。四脊波導內應傳輸主模，抑制高次模?？赏ㄟ^調節四脊波導的結構尺寸傳輸主模抑制高次模。“十”字耦合縫激勵四脊波導，通過改變“十”字耦合縫的長度以及寬度來調節耦合能量的強弱，同時實現阻抗匹配。

天線單元結構參數較多，垂直極化波導、垂直極化耦合縫的各項參數主要影響垂直極化端口反射系數，而水平極化波導的各項參數主要影響水平極化端口反射系數，但四脊波導和雙極化耦合縫隙的設計對兩個端口的反射系數均有影響，因此，重點仿真分析四脊波導以及雙極化耦合縫隙中各參數對天線兩個端口反射系數的影響，此處令水平極化端口為1端口，垂直極化端口為2端口，仿真結果如圖4-圖9所示。

圖4 四脊波導厚度變化對S11和S22的影響

圖5 四脊波導寬度變化對S11和S22的影響

圖6 沿y方向雙極化耦合縫隙縫寬對S11和S22的影響

圖7 沿y方向雙極化耦合縫隙縫長對S11和S22的影響

圖8 沿x方向雙極化耦合縫隙縫寬對S11和S22的影響

圖9 沿x方向雙極化耦合縫隙縫長對S11和S22的影響

由以上仿真結果可知，四脊波導厚度對天線兩個端口的反射系數均有影響，四脊波導厚度對S11、S22參數變化存在最優值，厚度越厚，S參數帶寬越寬，達到一定值以后，中頻開始變差；四脊波導寬度越窄，兩個端口帶寬越寬，但達到一定值之后S11、S22中頻變差；因此，調節四脊波導的厚度和寬度可有效改善天線的反射系數。

沿y方向、沿x方向雙極化耦合縫縫寬對S11、S22均有影響。沿y方向雙極化耦合縫縫長主要影響S22參數的變化，沿x方向雙極化耦合縫縫長主要影響S11參數的變化。因此，可通過調節雙極化耦合縫隙的縫寬和縫長可優化雙極化全并饋天線的反射系數。

2 雙極化全并饋縫隙陣天線設計

本文針對4×4的雙極化全并饋縫隙陣天線進行研究，且為等幅同相饋電，天線輻射單元可參照上節仿真結果進行優化設計。下面對4×4天線陣列的饋電網絡進行分析設計。

2.1 天線饋電網絡設計

對于垂直極化，可直接將4個2×2的天線單元在垂直極化波導饋電層(即最底層)進行功分網絡合成，形成垂直極化和口。由于垂直極化波導是通過寬邊縱縫對“十”字耦合縫饋電，本天線采用H-T波導功分網絡進行仿真設計，就可保證相鄰兩個天線單元同相饋電。

對于水平極化，若采用與垂直極化相同的H-T功分網絡，由于H-T功分網絡內的TE10模式在兩個相鄰天線單元的水平極化耦合縫隙處的磁場剛好反相，如圖10(a)所示，兩個天線單元則形成差波束。將水平極化的功分網絡通過耦合縫進行饋電，即分層饋電，其在相鄰兩個天線單元的耦合縫隙處磁場方向則保證同相，功分結構及磁場示意圖如圖10(b)所示。功分波導層的增加在“十”字耦合縫隙層實現，相當于增加了耦合縫隙的厚度，這樣的設計使得天線陣列能夠實現雙極化單元間等幅同相輻射的目的。采用兩個分層饋電的功分網絡和一個H-T功分網絡，可實現水平極化饋電功分網絡的設計。

圖10 兩種功分網絡的磁場分布示意圖

2.2 雙極化全并饋天線整體設計

將4個2×2天線單元按照等間距排列成4×4天線陣，同時為了便于后期測試，對兩個極化的饋電波導均進行過渡變換，轉換成標準波導口。將天線的整體模型在Ansoft HFSS中建模，微調仿真優化，天線整體仿真模型如圖11所示，優化后的兩個極化端口的反射系數、通道隔離、天線的主平面方向圖及交叉極化隔離分別列于圖12-圖13所示。

圖11 雙極化全并饋天線陣仿真模型

圖12 雙極化全并饋縫隙陣天線仿真S參數

圖13 雙極化全并饋縫隙陣天線仿真方向圖

從仿真結果可知，雙極化全并饋縫隙陣天線整體仿真的S11、S22在-15dB下帶寬均有2.5GHz，兩端口隔離小于-49.7dB，2GHz帶寬內，水平極化增益為19.45dB～20.16dB，垂直極化增益波動范圍為19.49dB～20.19dB。水平極化饋電時，E面、H面極化隔離最小值分別為-29.91dB、-34.31dB；垂直極化饋電時，E面、H面極化隔離最小值分別為-33.8dB、-23.7dB。

3 實物測試

根據上述天線仿真模型，開展天線實物加工，產品照片如圖14所示。天線實物測試的反射系數和方向圖如圖15-圖16所示。

圖14 天線實物

圖15 雙極化全并饋縫隙陣天線實測反射系數

圖16 雙極化全并饋縫隙陣天線實測方向圖

將S參數的仿真和測試數據匯總列于表1，對比分析可知：天線實物的S參數測試結果，垂直極化端口反射系數帶寬略有變窄，主要原因是由于零件的加工公差及焊接的裝配誤差造成低端的匹配性能變差。水平極化端口反射系數的實測結果與仿真結果吻合較好。

將方向圖的仿真和測試數據匯總列于表2，對比分析可知：天線實物的增益下降1.5～1.6dB；交叉極化抬高3～12dB。需要說明的是，實測增益包括了波導同軸過渡的損耗，天線的增益實際會更高一些。交叉極化雖有抬高，但整體仍小于-20dB，處于較低狀態。

表1 S參數仿真測試數據對比

S參數仿真值仿真頻帶寬度實測值實測頻帶寬度1端口反射系數-15dB34.6GHz～37.2GHz-15dB34.6GHz～37.24GHz2端口反射系數-15dB34.6GHz～37.2GHz-15dB35.46GHz～37.04GHz端口隔離-49.7dB34.6GHz～37.2GHz-45dB34.6GHz～37.2GHz

表2 方向圖仿真測試數據對比

數據來源仿真實測頻點(GHz)35～3735～37增益(dB)水平極化19.417.9垂直極化19.417.8主極化為水平極化的交叉極化(dB)E面-29.9-21.77H面-34.7-22.8主極化為垂直極化的交叉極化(dB)E面-23.7-20.8H面-34.4-22.9

4 結束語

綜上，本文完成的主要研究內容為：分析了雙極化全并饋縫隙陣天線單元內部的電磁場傳播路徑、雙極化工作的模式轉換過程及工作原理；根據天線工作原理對天線單元的參數進行調整優化設計，研究了關鍵參數對天線反射系數的影響，為天線輻射單元設計提供指導；在2×2子陣仿真模型的基礎上，完成了4×4天線陣列的饋電網絡設計，既保證了工程可實現性，又實現了結構的緊湊布局，很好的適應了未來天線結構小型化應用的趨勢；完成了雙極化全并饋縫隙陣天線的實物性能測試，并開展了仿真實測數據對比分析。

本項目的研制，驗證了雙極化全并饋天線的性能及工程可實現性，此天線極化隔離度較高、帶寬較寬，彌補了傳統雙極化縫隙陣天線的不足，提高了縫隙陣天線的性能。另外，此種天線還可用作有源相控陣天線單元，對共口徑雙極化天線研制有重要的借鑒作用。