腔體加載式圓極化波導縫隙天線設計

陳鑫華，馬巖冰，馬志祥，邵曉龍，李元勛

(1.電子科技大學 微電子與固體電子學院，四川 成都 610054；2.上海航天電子技術研究所，上海 201109)

腔體加載式圓極化波導縫隙天線設計

陳鑫華1，馬巖冰2，馬志祥2，邵曉龍2，李元勛1

(1.電子科技大學 微電子與固體電子學院，四川 成都 610054；2.上海航天電子技術研究所，上海 201109)

圓極化天線由于其自身具有的眾多優點，在現代通信系統中日益受到廣泛關注。設計了一種通過在傳統波導縫隙天線上加載旋轉矩形腔體實現圓極化輻射的天線形式，分析了腔體輻射圓極化波的機理以及腔體對天線阻抗帶寬的影響。該天線具有阻抗特性和圓極化特性獨立可調的優點。加工實現了一種工作于X頻段、具有1×10個單元的天線結構。測試結果表明，在中心頻率處右旋圓極化增益約為16.5 dB，主輻射方向上軸比優于1 dB，阻抗帶寬(VSWR<2)約為64 MHz。測試結果與仿真數據取得了較好的一致性。

波導縫隙天線；腔體加載；圓極化；窄帶

0 引言

波導縫隙天線作為一種有效的輻射形式被廣泛應用于雷達[1]、遙感和通信[2]等眾多領域。雖然近年來微帶天線憑借其價格低廉、易于批量加工等優點大行其道[3]，然而隨著通信頻段向更高頻段發展，微帶天線由于損耗高、功率容量低、熱穩定度不高以及機械強度低等缺點，逐漸被波導縫隙天線所取代[4]。圓極化天線在通信領域中的優勢主要體現在2個方面：① 收/發天線之間不存在由于指向不穩定引起的極化損失[5]；② 用于在接收機端減小由于多徑效應引起的信號衰落[6]。目前，以波導縫隙結構實現圓極化的方式主要有在波導壁開“八”字縫[7]或“十”字縫[8]、寄生傾斜振子[9]和加載圓極化腔[10]等3種，其中第1種實現方式中各縫之間間隔一個波導波長，天線口徑效率較低且副瓣較大；加載寄生振子的方式在應用于較高頻段時工程實現的難度較大；第3種方式以在波導縫隙天線上方加載旋轉腔體的方式實現圓極化輻射，具有易于組成陣列結構和實現幅度控制進行波束賦形的優點。

本文設計實現了一種工作于X波段具有1×10個單元的圓極化波導縫隙天線，其輻射縫采用波導寬邊開縱縫的結構，饋電方式采用饋電波導中心開傾斜縫的形式，圓極化性能由具有一定旋轉角度的矩形腔體實現。該天線駐波、軸比相對獨立可調，具有極化性能好、易于一體化加工等優點。

1 天線設計方案

1.1 波導縫隙天線設計

波導縫隙天線常采用寬邊開縱向偏置縫和窄邊開傾斜縫這2種具有不同極化方式的形式。波導寬邊上的縱向縫使波導內表面處的橫向電流向縫隙兩端分流，引起縱向電流突變，因此縱縫等效于傳輸線上的并聯導納[11]。波導縫隙天線管壁電流分布示意圖如圖1所示。

圖1 波導縫隙天線管壁電流分布

當縱縫工作在諧振狀態，等效導納中的電納為零，歸一化電導值可以表示為[12]：

(1)

式中，g和x分別為縫隙的等效歸一化電導和其距波導寬邊中線的距離；a和b分別為波導的寬邊和窄邊尺寸；λ和λg分別為工作波長和波導波長。對于由多根縫隙組成陣列結構，當從波導終端饋電時，只有滿足式(2)才能達到匹配的目的：

(2)

波導寬邊處的管壁電流分布可以表示為[13]：

(3)

(4)

圖2 駐波帶寬隨縫隙數N的變化趨勢

1.2 圓極化腔體設計

腔體加載式圓極化波導縫隙天線結構如圖3所示。

圖3 腔體加載式圓極化波導縫隙天線結構

(5)

由式(5)可知，2種模式的電磁波傳播一定的距離H后，在極化腔的端面處能夠滿足相差Δφ=90°的條件。從圖4可以看出，在一定的長寬比L/W下，2種模式的相差Δφ與H基本上呈線性關系。

圖4 高度H對2種模式相差的影響

圖5 極化腔旋向對2種模式振幅比的影響

在工程上總是希望天線能具有較低的剖面，也就是極化腔的高度H應盡可能的小，由式(5)可知，這就需要長寬比盡可能大，但同時考慮到平面組陣的需求，旋轉后極化腔的長邊L應不超出輻射波導的寬邊為好。

2 天線加工與測試

圖6 腔體加載式圓極化波導縫隙天線實物

受圓極化腔體的尺寸和旋向限制，輻射縫隙偏離天線中線的距離較小，為1.5 mm，由分析可知，較小的偏置量將導致較窄的阻抗帶寬。天線實測駐波如圖7所示，由于加工誤差的原因，中心頻率偏離設計值30 MHz，VSWR<2的帶寬約為64 MHz。

圖7 天線阻抗特性曲線

天線在微波暗室中完成遠場方向圖的測量，方位面φ=0°和φ=90°上的天線右旋圓極化增益圖如圖8所示，天線實測最大增益為16.5 dB。天線軸比的仿真與實測對比圖如圖9所示，在主輻射方向上(θ=0°)軸比優于1 dB，在φ=0°面上軸比小于3 dB的角度范圍約為±60°，在φ=90°面上軸比小于3 dB的角度范圍約為±20°。 由于測試場地的局限和數據后處理的原因，從圖8和圖9中可以看出，與仿真結果相比，測試數據在偏離主輻射方向時出現了較多的波紋抖動，但整體變化趨勢與仿真結果相吻合，測試數據與仿真結果取得了較好的一致性，這也驗證了該型天線整體的設計合理性。

圖8 右旋圓極化增益仿真與實測對比

圖9 軸比仿真與實測對比

3 結束語

本文設計了一種工作于X頻段、通過加載腔體實現圓極化輻射的波導縫隙天線，分析了波導縫隙天線阻抗帶寬與縫隙偏置距離的關系以及極化腔實現圓極化輻射的原理。該形式天線的優點是設計思路明確、結構較為簡單，且阻抗特性和圓極化特性相對獨立，二者的相互影響較小，降低了設計調諧的工作量。但存在的缺點是由于極化腔口徑的限制，天線的阻抗帶寬較窄，這使其在工程上的應用范圍受到限制，所以后續工作中對該天線形式的改進重點應放在對極化腔的結構改進上，使其在圓極化性能不受太大影響的情況下能給縫隙留出足夠的調諧空間。

[1] 王 偉,呂善偉.單脈沖平面縫隙陣列天線設計和誤差分析[J].無線電工程,1996(26):58-64.

[2] 王宏建,劉世華,郝齊焱,等.星載Ku波段波導縫隙天線的縫隙特性分析[J].電波科學學報,2012(27):1 225-1 231.

[3] 曾會勇,王光明,耿道田,等.一種新型寬頻帶三角形微帶天線的設計[J].無線電通信技術,2009,35(5):34-36.

[4] LEE K F,CHEN W.Advances in Microstrip and Printed Antennas[M].Manhattan:John Wiley & Sons,1997:1-10.[5] 張予青,段成華.一種新型低成本的圓極化GPS微帶天線[J].無線電工程,2009,39(8):38-40.

[6] LUO Q,ZHU F.Circularly Polarized Antennas[M].Manhatton:John Wiley & Sons,2013:24-25.

[7] JING X,ZHU Z,WANG Y,et al.Waveguide Slotted Array Antenna for Circularly Polarized Radiation Field[C]∥16th International Conference on Electronic Packaging Technology (ICEPT),2015:1 398-1 401.

[8] HIRANO T,HIROKAWA J,ANDO M.Waveguide Matching Crossed-slot[C]∥IEE Proceedings in Microwaves,Antennas and Propagation,2003:143-146.

[9] GONZALEZ-OVEJERO D,HERRANZ-HERRUZO J I,VALERO-NOGUEIRA A,et al.Design of Radome-Covered Slot-Array Antennas Loaded with Parasitic Dipoles for Circular Polarization at Ka Band[C]∥The Second European Conference on Antennas and Propagation,2007:1-4.

[10]DOGAN D,TOP C B.Circularly Polarized Ka-band Waveguide Slot Array with Low Sidelobes[C]∥6th European Conference on Antennas and Propagation (EUCAP),2012:1 105-1 109.

[11]STEVENSON A.Theory of Slots in Rectangular Wave-Guides[J].Journal of Applied Physics,1948(19):24-38.

[12]JOHNSON R C,JASIK H.Antenna Engineering Handbook[M].New York:McGraw-Hill Book Company,1984:217-252.

[13]廖承恩.微波技術與基礎[M].西安:西安電子科技大學出版社,1994:71-72.

陳鑫華 男，(1989—)，碩士研究生。主要研究方向：天線與射頻電路。

馬巖冰 男，(1989—)，工程師。主要研究方向：天線與射頻電路。

Design of Circularly Polarized Waveguide Slot Antenna Loaded with Rectangular Cavities

CHEN Xin-hua1,MA Yan-bing2,MA Zhi-xiang2,SHAO Xiao-long2,LI Yuan-xun1

(1.SchoolofMicroelectronicsandSolid-StateElectronics,UniversityofElectronicScienceandTechnologyofChina,ChengduSichuan610054,China;2.ShanghaiAerospaceElectronicTechnologyInstitute,Shanghai201109,China)

Circularly polarized antennas have attracted extensive attention in modern communication systems due to their inherent advantages.In this paper,a circularly polarized antenna constructed by a traditional waveguide slot antenna loaded with rectangular cavities is presented.The realization mechanism of the circularly polarized wave radiated by the cavity and the effect of cavity dimensions on the impedance bandwidth of the antenna are also analyzed.The impedance characteristics and the circular polarization characteristics of this type of antenna can be tuned independently.The designed antenna operates in X-band and consists of 1×10 unit cells.The measured results show that the right hand circular polarized gain is about 16.5 dB at the center frequency.The axial ratio is less than 1 dB in the direction of main radiation and the impedance bandwidth (VSWR<2) is 64 MHz.The measured data is quite consistent with the simulation results.

waveguide slot antenna;loaded with cavities;circular polarization;narrow band

10.3969/j.issn.1003-3106.2016.11.14

陳鑫華,馬巖冰,馬志祥,等.腔體加載式圓極化波導縫隙天線設計[J].無線電工程,2016,46(11):55-58.

2016-07-12

國家高技術研究發展計劃(“863”計劃)基金資助項目(2015AA034102)；國家自然科學基金資助項目(61371053，61271038，51472042)。

TN015

A

1003-3106(2016)11-0055-04