Ku頻段全金屬圓極化平板天線設計

吳守天， 鄭 治， 鄭雨陽

(天地信息網絡研究院(安徽)有限公司， 安徽合肥 230088)

0 引 言

隨著現代雷達、衛星通信的飛速發展，電磁頻譜資源越來越緊張，在廣泛使用的微波頻段低端，電磁干擾也越來越嚴重，因此電子信息系統的工作頻段不斷向Ku、Ka等較高頻段發展。Ku頻段無線通信系統具有很多優點，如具有全天候、大容量、雙向實時性、任意地形、任意氣象條件下不間斷傳輸信號的特點，成為通信領域最具發展前途的方向之一[1]。

天線作為通信和雷達等電子信息系統的前端，對系統性能有著至關重要的影響。隨著波束覆蓋范圍的擴大，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[2]，圓極化天線能降低多徑效應導致的時延擴散，降低碼間串擾，減少電離層引起的法拉第旋轉效應和極化失配導致的極化損耗，同時收發天線之間的相對位置可以更加靈活，被廣泛應用于通信、雷達、電子對抗、遙測遙感、天文及電視廣播等領域。

目前，應用比較廣泛的Ku頻段圓極化天線有微帶貼片天線、波導縫隙天線、喇叭天線等[3-6]。微帶貼片天線在尺寸、成本、極化實現方面有一定優勢，且易于組陣、集成與共形，但由于在 Ku頻段損耗包括介質損耗、歐姆損耗、輻射損耗等比較大，難以實現高天線效率；波導縫隙天線具有效率高、結構緊湊、機械強度高等特性，但局限于天線體制，組陣后無法實現兩維寬角掃描；喇叭天線屬于行波天線，工作帶寬較寬，定向性強，但剖面高體積大的缺點無法滿足新一代高速移動平臺的要求。

為了獲得高效率高增益的圓極化輻射性能，兼顧低剖面、強應力的結構優勢，金屬平板天線是較佳的選擇。文獻[7]介紹了一種全波導結構的雙極化平板天線，采用分子擴散焊工藝加工，實現了雙線極化的陣列構成，該天線輻射單元為十字槽，縫隙耦合饋電，天線工作帶寬為11%；這種全波導陣列天線由于沒有介質損耗，總效率很高，整個頻段內大于70%，然而文章并沒有給出圓極化的合成方式和預估性能。文獻[8]設計一種16×16元高增益雙圓極化平板天線，使用具有寬頻特性的波導口徑作為輻射單元，通過加載隔板來實現雙圓極化。天線工作帶寬大于 16%，工作頻帶內效率大于60%。這種全波導雙圓極化天線具有寬帶高增益特性，但隔板圓極化器的引入大大增加剖面高度，復雜的饋電網絡降低了總效率。

針對現有全金屬平板天線存在的問題，本文提出一種結構緊湊、材料單一、易于集成的全金屬圓極化平板天線。該天線工作于Ku頻段，由多層金屬波導腔體一體化加工而成，加工難度低，環境適應性高，采用直接在輻射層實現圓極化的方式，降低了天線的剖面，具有高效率、高可靠性、高機械強度等優點。

1 天線單元設計

本文設計的圓極化平板天線的天線單元結構如圖1所示，該天線由上到下依次為輻射層、諧振層及功分饋電網絡層，各層皆為波導腔體結構，利用輻射層4×4元斜六邊形開口波導腔直接實現圓極化，通過優化諧振層的梅花狀波導腔體及功分饋電網絡層的輸出端口臺階大小，獲得優良的阻抗匹配和圓極化性能。天線整體厚度小于半個波長。

圖1 天線單元三維立體結構示意圖

1.1 輻射層設計

輻射層結構如圖2所示，采用4×4元呈沿斜45°方向均勻分布的六邊形波導腔體，將饋入的信號分離形成相互正交相差90°的TE10模與TE01模，在輻射面滿足形成圓極化波的條件。相鄰六邊形波導腔體間距dm=12.2 mm，每個六邊形波導腔體的邊長wm=11.5 mm。由于每2×2元六邊形波導腔體對應一個諧振層饋電波導，相當于在輻射口面加載金屬柵隔，有效抑制柵瓣，同時提高了口徑效率。

圖2 輻射層平面示意圖

1.2 諧振層設計

諧振層結構如圖3所示，由調節匹配的梅花狀波導腔體和尺寸較小的方形波導腔組成。梅花狀波導腔體的每個邊中點處對稱分布了4個同樣尺寸的膜片，起到阻抗變換和模式變換的作用，大大提高天線的阻抗帶寬，同時容性膜片易激勵起高次模，與主模混合在輻射口徑實現更加均勻的電場分布，提高天線口徑效率。腔體方形波導腔連接底層波導饋電網絡的功分端口，實現阻抗匹配與能量饋入。為了實現最佳匹配效果，經過參數優化后最終得到梅花狀波導腔的膜片長度ma=5.2 mm，寬度mb=1.4 mm，方形波導腔的邊長ms=10.4 mm。

1.3 功分饋電網絡層設計

功分饋電網絡層結構如圖4所示，采用結構緊湊的一分四E面波導功分器，在功分饋電網絡的功分口設計了三層臺階改善匹配，每個臺階的長度相同，都為ms=10.4 mm，寬度從上到下依次為mt1=8.2 mm、mt2=6 mm、mt3=5.4 mm，輸入總口為標準波導口。

圖4 功分饋電網絡層平面示意圖

圖5 天線單元端口駐波的仿真結果

利用高頻電磁仿真軟件HFSS對所設計的天線單元進行仿真計算與優化，端口駐波的仿真結果如圖5所示，可以看到，其端口駐波在14.6～18.2 GHz的頻率范圍內小于2，相對阻抗帶寬為21.95%；天線在各頻點的法向軸比仿真結果如圖6所示，可以看出，在15.8～16.7 GHz的頻率范圍內軸比小于3 dB，相對軸比帶寬為5.45%。

圖6 天線單元法向軸比帶寬仿真結果

2 天線組陣及測試

基于已設計的4×4元圓極化平板天線單元，將其在兩維平行擴展成12×12單元平板天線陣列，擴展后的陣列結構如圖7所示。天線陣列的單元間距為52 mm，采用矩形均勻布陣形式，便于整體加工裝配，易于集成T/R組件。該陣列由純金屬腔體組成，機械強度高，功率容量大，適合作為可拓展模塊應用于大規模相控陣天線系統。

圖7 天線陣列三維立體結構示意圖

12×12單元平板天線陣列的加工實物如圖8所示，采用真空釬焊焊接技術，精密機械加工一體化成型，加工流程簡單易操作，成品率與可靠性高。

圖8 12×12單元全金屬圓極化平板天線實物圖

在平面近場暗室內對平板天線陣中采樣單元的各項電性能指標進行了測試，各個隨機抽樣單元在陣中的分布位置如圖9所示，測試結果如圖10～圖14所示。可以看出，8個隨機抽樣單元在工作頻帶內有源駐波低于2，帶內天線效率大于80%，天線輻射左旋圓極化波，中心頻點波束寬度16.7°，法向的測試軸比低于1 dB，測試結果與仿真結果符合較好。

圖9 隨機抽樣單元位置分布示意圖

圖10 陣中隨機采樣單元有源駐波測試結果

圖11 陣中隨機采樣單元天線效率測試結果

圖12 單元7中心頻點法向軸比測試結果

圖13 單元7中心頻點H面方向圖仿真與測試結果

圖14 單元7中心頻點E面方向圖仿真與測試結果

3 結束語

本文介紹了一種工作在Ku頻段的全金屬圓極化平板天線，采用多層波導腔結構，利用4×4元斜六邊形開口波導腔直接實現圓極化，基于4×4元天線單元組成12×12單元天線陣列，分層精密機械加工，真空釬焊焊接成形。對陣中單元進行測試，結果表明天線輻射左旋圓極化波，工作帶寬內有源駐波小于2，軸比低于3 dB，效率高于80%。該平板天線具有高效率、低剖面、結構穩定、高功率容量等特點，在新一代雷達、通信系統中具有廣闊的應用前景。