K波段雙圓極化波導陣列天線設計

宋長宏，吳 群，張文靜

（1．哈爾濱工業大學電子與信息工程學院，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）

K波段雙圓極化波導陣列天線設計

宋長宏1，2，吳 群1，張文靜2

（1．哈爾濱工業大學電子與信息工程學院，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）

傳統的雙極化波導縫隙天線陣每種極化方式交叉極化較差，極化端口隔離度不高，尤其實現共口徑輻射難度較大。介紹了一種K波段雙圓極化波導陣列天線設計方法，重點討論了高效率共口徑雙極化輻射單元、寬帶圓極化器、低損耗波導饋電網絡。利用仿真軟件進行了優化仿真分析，在此基礎上研制了樣件，對其電性能進行了測量。測試結果表明，此雙圓極化波導陣列天線具有效率高、軸比帶寬寬、隔離度高等特點。

雙圓極化；極化器；軸比；隔離度

0 引 言

隨著衛星通信技術的迅猛發展，對天線的要求越來越高，不僅要求天線實現小型化、低輪廓、低成本，還要求天線具有寬頻帶、多頻工作、極化分集、多業務融合的特點。同時圓極化天線具有抗干擾強，能夠接收任意極化的來波，發射的圓極化波可以被任意極化天線所接收，且圓極化天線具有抗多徑的效果，因此越來越受到關注，尤其廣泛應用在衛星通信系統中［12］。

圓極化陣列天線形式種類繁多，主要以微帶天線和波導陣列天線為主［36］，微帶天線具有易集成、加工精度高、低輪廓等特點，實現圓極化往往帶寬較窄，尤其實現雙圓極化結構復雜、饋線冗長、損耗較大，不適用于高頻段衛星通信系統。波導陣列天線主要以波導縫隙陣為主，它的特點是可實現低副瓣、高效率、低損耗、低輪廓，但阻抗帶寬較窄，實現圓極化多采用不同形式的極化柵，且多為單圓極化輻射［710］。

本文介紹了一種雙圓極化波導陣列天線，輻射單元為方口喇叭，在腔體上開圓形縫隙，實現對方口喇叭的饋電，采用隔板極化器實現左右旋極化，利用E-T波導功分網絡進行功率合成，天線陣列結構緊湊、圓極化軸比帶寬寬、輻射效率高。

1 單元設計

如圖1所示，天線輻射單元由方口喇叭、圓形縫隙、腔體和方波導組成，利用方波導實現對腔體的饋電，腔體上面所開的圓形縫隙在腔體上表面激勵起電流，通過方口喇叭輻射到自由空間。這種饋電結構實現了一個方波導同時饋電4個方口喇叭天線，與采用功分網絡合成的傳統陣列天線設計方法相比，具有插損低、結構簡單的特點。

圖1 天線單元外形結構

天線的工作頻段為23～26 GHz，標準方波導尺寸C＝8．64 mm，腔體的高度H3決定天線駐波的諧振頻率，通常取D＝λ／4（λ為中心頻率對應的波長），腔體寬度B決定天線駐波的諧振深度，圓形縫隙的直徑D、縫隙間距決定天線駐波的諧振位置和腔體表面電流幅度，喇叭口徑尺寸A＝0.75λ，喇叭口最佳間距d2＝0.866λ。

利用三維電磁場仿真軟件HFSS對波導陣列天線單元進行了優化仿真設計，確定了單元外形結構尺寸，其中高度H3＝2.4 mm，寬度B＝20 mm，喇叭口徑尺寸A＝9 mm，高度H1＝3 mm，喇叭間距d2＝9.8 mm，圓形縫隙直徑D＝7.2 mm，縫隙間距d1＝9．1 mm，方波導的尺寸為8．64 mm。如圖2所示，分別給出了單元天線在頻點23 GHz、24．5 GHz、26 GHz時，yoz面和xoz面的輻射方向圖，其中，橫坐標角度0°對應天線口面法向方向。

從仿真結果可以看出，帶寬內天線增益大于14．5 dB，依據增益與孔徑面積關系可得口徑輻射效率η帶寬內大于85%，駐波帶寬內小于1.5。增益與孔徑面積關系為式中，G為天線增益；Ae為天線口徑面積；λ為天線工作波長。

2 圓極化天線單元設計

2.1 圓極化器設計

隔板圓極化器廣泛應用在波導網絡系統中，與傳統極化器相比，它的特點是不需要外加正交器就可以實現左、右旋圓極化同時工作，且端口隔離、相位一致性、駐波、插損、耐功率等指標極易達到要求［1116］。圖3為隔板極化器的外形結構圖，隔板極化器在方波導中插入鋸齒狀隔板，波導的一端為雙極化波入口，另一端分割為兩個旋向的極化端口。

圖2 天線單元仿真

隔板參考設計尺寸標注見圖3（b），具體為：a1＝0.341λ，b1＝0.059λ，a2＝0.269λ，b2＝0.144λ，a3＝0.274λ，b3＝0.244λ，a4＝0.281λ，b4＝0.344λ，a5＝0.103λ，b5＝0.517λ，b6為方波導尺寸，根據饋電空間選擇合適的尺寸a6，天線工作在K波段所以取隔板厚度δ＝0.5 mm。

2.2 圓極化天線單元

基于圓極化器的參考尺寸，在HFSS中建立了圓極化器和輻射單元一體化模型，如圖4（a）所示，輻射單元分為左、右旋兩個極化端口，通過調節隔板的幾何參數，重點優化軸比和端口隔離指標。確定隔板尺寸為：a1＝4.09 mm，b1＝0.70 mm，a2＝1.722 mm，b2＝2.927 mm，a3＝3.282 mm，b3＝2.927 mm，a4＝3.368 mm，b4＝4.123 mm，a5＝1.245 mm，b5＝6.2 mm，a6＝3 mm，b6＝8.64 mm。圓極化天線輻射單元軸比如圖4（b）和圖4（c）所示。

圖3 隔板極化器

圖4 圓極化天線單元

從圖4（b）和圖4（c）仿真結果可以看出，天線單元帶寬內軸比小于2 dB，兩極化的端口隔離帶寬小于－30 dB。

3 陣列設計

3.1 功分網絡設計

為了實現天線高增益輻射，需要對天線進行組陣設計，采用低損耗的波導功分網絡進行功率合成，圖5（a）為一分四波導合路器，倒向塊實現了縱向網絡轉換成橫向的合成網絡，這樣并饋合成網絡將不再占用縱向空間，減小天線的厚度，利用匹配塊可實現對網絡的匹配調諧。

對5端口功分網絡進行優化仿真設計，圖5（b）為S參數曲線，端口1回波損耗帶寬內小于－20 d B，傳輸常數為－6．1 d B，理論上網絡插耗僅為0．1 dB。

圖5 功分網絡

3.2 天線陣列設計

天線陣列的整體結構可分為3層，分別為輻射層、極化器層、功分網絡層，圖6（a）給出了層與層之間的連接關系，對16×32天線陣進行了仿真、加工。實物圖如圖6（b）和圖6（c）所示，利用數控分層加工工藝，并采用銷釘、螺釘進行裝配，保證了對電磁波的良好屏蔽。圖7（a）～圖7（c）給出了天線陣俯仰面（天線窄邊）、方位面（天線長邊）的方向圖仿真和實測結果；圖7（d）、圖7（e）和圖7（f）分別給出了S參數、軸比和口徑效率的實測結果。

從圖7樣件實測結果來看，16×32天線陣列帶寬內增益大于35 dB，回波損耗實測值有所惡化主要是因為加工精度、裝配誤差所致，帶寬內小于－15 dB，仍滿足設計需要。端口隔離參數S21、S12帶寬內小于－25 d B，軸比小于3 dB的帶寬為16．5%，頻帶內口面效率大于76%。

圖6 陣列設計

圖7 樣件實測

4 結 論

本文提出了一種縫隙耦合波導喇叭口輻射的雙圓極化波導陣列天線，介紹了天線單元、極化器、功分網絡的設計方法，并加工、測試了16×32陣列樣件，測試結果達到了設計要求，口面效率大于76%。天線特點是低輪廓、高效率、雙圓極化輻射、高隔離度。在要求小孔徑天線的衛星通信系統中，具有很好的工程應用前景。

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Design of K-band dual-circularly-polarization waveguide array antennas

SONG Chang-hong1，2，WU Qun1，ZHANG Wen-jing2
（1.Department of Electronic and Communications Engineering，Harbin Institute of Technology，Harbin 150001，China；2.The 54th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation，Shijiazhuang 050081，China）

The cross-polarizations and the polarization port isolation performance of conventional dual-polarization waveguide slotted array antennas are poor，especially difficult to realize co-aperture dual-circularly-polarization radiation．A novel dual-circularly-polarization waveguide array antenna at K-band is studied．The high-efficiency dual-polarized co-aperture radiation element，wide-band polarizer，low loss feed network are discussed，simulated and optimized by software．A prototype has been made and tested．The measured results show that waveguide array antennas proposed have the characteristics of high-efficiency，wide-band of axial ratio，and highisolation．

dual-circularly-polarization；polarizer；axial ratio；isolation

TN 82

A

10．3969／j．issn．1001-506X．2015．01．01

宋長宏（1980-），男，高級工程師，博士研究生，主要研究方向為平面陣列天線、相控陣天線、共形天線設計與計算。

E-mail：songzanyi2011＠126．com

吳 群（1955-），男，教授，博士，主要研究方向為射頻／微波／毫米波器件與電路、天線與電磁兼容性、微波系統與測量技術。

E-mail：qwu＠hit．edu．cn

張文靜（1962-），男，高級工程師，主要研究方向為衛星天線饋源系統研究。

E-mail：zhangwj＠cti．ac．cn

1001-506X（2015）01-0001-05

網址：www．sys-ele．com

2014- 01- 24；

2014- 05- 12；網絡優先出版日期：2014- 07- 14。

網絡優先出版地址：http：／／w ww．cnki．net／kcms／detail／11．2422．TN．20140714．1405．008．html

國家自然科學基金（61371044）資助課題