寬頻帶低軸比雙圓極化波導陣列天線設計

張洪濤,汪 偉,梁仙靈,金謀平,盧曉鵬,3

(1.中國電子科技集團公司第三十八研究所,安徽合肥230088;2.上海交通大學電子工程系,上海200240;3.孔徑陣列與空間探測安徽省重點實驗室,安徽合肥230088)

寬頻帶低軸比雙圓極化波導陣列天線設計

張洪濤1,汪 偉1,梁仙靈2,金謀平1,盧曉鵬1,3

(1.中國電子科技集團公司第三十八研究所,安徽合肥230088;2.上海交通大學電子工程系,上海200240;3.孔徑陣列與空間探測安徽省重點實驗室,安徽合肥230088)

基于波導損耗小、易加工等特點,設計了一種應用于衛星通信系統的新型X波段寬頻帶低軸比雙圓極化波導陣列天線。采用平面方形喇叭陣列、正交模耦合器和波導窄邊耦合功分器來實現雙圓極化的工作方式。據此設計,加工了一套16×16單元天線陣列,尺寸大小為440 mm×440 mm×50 mm。采用電磁仿真軟件Ansoft HFSS進行仿真設計,詳細介紹了該天線的設計方法,測試結果和仿真結果吻合良好。測試結果表明,該天線在12%的工作頻段內軸比優于1.5 dB,駐波比優于1.6,帶內增益大于31.0 dB,天線輻射效率優于80%。

X波段;寬帶;雙圓極化;低軸比;波導陣列天線

0 引言

隨著衛星通信、遙控遙測技術的發展,雷達應用范圍的擴大,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,圓極化天線的應用就顯得十分重要。圓極化波具有抗云雨衰減、抗多徑衰減、可消除由電離層法拉第旋轉效應引起的極化畸變的影響等優點。因此,圓極化天線廣泛應用于通信、雷達、電子對抗、遙測遙感、天文及電視廣播等領域。

衛星通信系統在保障偏遠地區、各行各業部門及海上作業等信息傳輸中發揮了極其重要的作用,尤其在應對地震災害和地區軍事沖突中發揮著關鍵作用。

在衛星通信領域,圓極化天線因其可抑制雨霧的去極化效應和抗多徑衰減等效應,而被廣泛應用于該領域。

新一代固定衛星通信系統和移動衛星通信系統[1]要求天線系統具有低剖面、重量輕和可移動的大容量通信。平板天線是滿足衛星通信系統需求的最佳選擇[2]。微帶貼片天線[3]常用來作為平板天線的輻射單元,但是波導縫隙天線由于其易加工、低損耗、高效率,尤其對于X波段平板陣列天線,更加適宜于作為陣列天線的輻射單元[4-6]。因此,對于X波段的衛星通信系統,需要低剖面、重量輕、尺寸小、效率高、增益大的平板陣列天線[7]。

本文介紹了一種X波段16×16單元雙圓極化寬帶波導平面天線陣設計,其輻射單元采用方形喇叭口,通過正交模耦合器和平面波導網絡、矩形波導窄邊耦合功分網絡實現雙圓極化的性能。

該天線為寬帶、低軸比雙圓極化波導天線,具有大帶寬(優于12%)、低軸比(小于1.5 d B)、高效率(大于80%)等優點。整個天線采用成熟的縫隙波導天線加工工藝,材料單一,加工難度低,自身強度高,工作可靠。

1 天線陣設計

本天線采用16×16輻射喇叭單元組成的平板雙圓極化天線陣列,該陣列天線由輻射喇叭柵格單元、正交模耦合器、平面矩形波導網絡和矩形波導窄邊耦合功分網絡等組成,如圖1所示。

圖1 寬帶雙圓極化波導天線陣列

1.1 矩形波導喇叭柵格

為實現喇叭口面電流的均勻分布,采用矩形柵格把單個喇叭口徑劃分為2×2的輻射單元(如圖2所示),從而改善天線口面的電流分布,提高陣列天線的方向系數。

圖2 矩形波導喇叭柵格

1.2 正交模耦合器

正交模耦合器的結構如圖3所示,其主要功能是合成或分離兩正交模式,廣泛應用在衛星通信、雷達系統和射電天文中。正交模耦合器按照工作范圍可以分為窄帶正交模耦合器(通常小于10%)和寬帶正交模耦合器。對于寬帶正交模耦合器,結構眾多,常見的如鰭線、四脊、十字專門、Boifot、雙脊和對稱負反饋,它們各具特點,但是作為陣列天線的一部分,其結構都較復雜和龐大。采用圖3所示的新型正交模耦合器,可以大大降低整個陣列天線的復雜度,而且其工作帶寬、交叉極化都比較優越。

圖3 正交模耦合器示意圖

1.3 平面矩形波導網絡

兩個極化采用的饋電網絡如圖4所示,采用平面矩形H-T結構的網絡,可以大大降低天線的厚度,而且可以增加天線的工作帶寬,獲得寬頻帶下較好的電性能指標。

圖4 平面矩形波導網絡

1.4 矩形波導窄邊耦合功分網絡

采用獲得頻帶內雙圓極化工作的方式,采用如圖5所示的波導窄邊耦合功分網絡,可以在較寬的頻帶內獲得性能較好的90°相位差[8],如圖6所示。

圖5 矩形波導窄邊耦合功分網絡

圖6 窄邊耦合功分網絡端口相位差

2 測試結果

最終設計完成的16×16單元的寬頻帶低軸比雙圓極化波導陣列天線陣結構如圖7所示。整個天線陣面共分為6層結構,各層零件采取精密機械加工一次成型,多板之間采用真空釬焊焊接技術,加工而成的實物照片如圖8所示。

圖7 16×16單元天線陣示意圖

圖8 16×16單元天線陣實物照片

在平面近場暗室內對該天線的各項性能指標進行了測試,結果表明該天線在7.9～9.0 GHz設計頻帶內駐波比優于1.6,軸向軸比優于1.5 dB。

天線端口駐波比仿真與測試結果如圖9所示,結果顯示天線陣在7.9～9.0 GHz頻帶內駐波比優于1.6,與仿真結果很好吻合。

帶內典型的方向圖和軸比測試結果如圖10～12所示。對于左旋圓極化和右旋圓極化,測試的最大副瓣電平小于-13 dB,測試的軸比優于1.5 dB。

天線陣帶內增益測試結果如圖13所示,在整個工作頻帶內增益大于31 dB,天線的效率大于80%。

圖9 24×16單元天線陣駐波測試曲線

圖10 邊頻7.9 GHz方向圖和軸比測試結果

圖11 中頻8.5 GHz方向圖和軸比測試結果

圖12 邊頻9.0 GHz方向圖和軸比測試結果

圖13 帶內增益測試結果

3 結束語

本文介紹了一種新穎的X波段16×16單元寬帶低軸比雙圓極化波導陣列天線的設計,該天線為多層板結構,采用精密機械加工和真空釬焊焊接成形。為實現寬帶雙圓極化工作,采用了一種新穎的低剖面正交模耦合器和波導窄邊耦合功分網絡。最終實現了在工作頻帶7.9～9.0 GHz的帶寬內,天線的兩個極化端口駐波比都小于1.6,軸向軸比優于1.5 d B,增益大于31 d B,天線效率優于80%,兩個主切面遠場方向圖的第一副瓣電平小于-13.0 d B。結果表明,該寬帶低軸比雙圓極化天線可用于移動衛星通信系統中。

[1]EVANS B G.Satellite Communication Systems[M].3rd ed.London,UK:The Institution of Engineering and Technology,1999.

[2]FILIPOVIC D F.A Planar Wideband Circularly Polarized Antenna for Satellite Communications[C]∥IEEE MTT-S Symposium on Technologies for Wireless Applications,Vancouver,BC,Canada:IEEE,1999:213-216.

[3]GARCíA-AGUILAR A,INCLáN-ALONSO J M,VIGIL-HERRERO L,et al.Low-Profile Dual Circularly Polarized Antenna Array for Satellite Communications in the X Band[J].IEEE Trans on Antennas and Propagation,2012,60(5):2276-2284.

[4]ZHANG Hongtao,WANG Wei,JIN Mouping,et al.A Circularly Polarized Waveguide Phased Array Antenna for K Band Satellite Communications[C]∥IEEE International Symposium on Antennas and Propagation,Vancouver,BC,Canada:IEEE,2015:2485-2486.

[5]HERRANZ-HERRUZO J I,FERRANDO-ROCHER M,VALERO-NOGUEIRA A,et al.LOCOMO Satcom Terminal:A Switchable RHCP/LHCP Array Antenna for On-the-Move Applications in Ka-Band[C]∥IEEE International Symposium on Antennas and Propagation,Vancouver,BC,Canada:IEEE,2015:210-211.

[6]張洪濤,汪偉,張智慧,等.一種新穎的圓極化波導陣列天線設計[J].雷達科學與技術,2014,12(3):329-332.ZHANG Hongtao,WANG Wei,ZHANG Zhihui,et al.Design of a Novel Circular-Polarization Waveguide Antenna Array[J].Radar Science and Technology,2014,12(3):329-332.(in Chinese)

[7]ZOU Yongqing,ZHANG Hongtao,WANG Wei,et al.Dual Circularly Polarized Waveguide Antenna Array for Satellite Communications in the X Band[C]∥International Symposium on Antennas and Propagation,Hobart,TAS:IEEE,2015:399-401.

[8]袁朝暉.一種Ka頻段寬頻帶90°電橋[J].無線電通信技術,2008,34(4):27-29.

Design of a Dual Circular Polarization Waveguide Antenna Array with Wide Band and Low Axial Ratio

ZHANG Hongtao1,WANG Wei1,LIANG Xianling2,JIN Mouping,LU Xiaopeng1,3
(1.The38th Research Institute of CETC,Hefei230088,China;2.Department of Electronic Engineering,Shanghai Jiaotong University,Shanghai200240,China;3.Key Laboratory of Aperture Array and Space Application,Hefei230088,China)

Considering the small loss and easy fabrication of waveguide,a novel dual circular polarization waveguide antenna array with wide band and low axial ratio is presented at X-band for satellite communications.Planar horn array is used to attain dual circular-polarization working with orthomode and rectangular side wall coupler.A demo array of 16×16 elements is designed,manufactured and tested.This antenna is low-profile and modular with dimensions of 440 mm×440 mm×50 mm.The antenna is simulated and designed by Ansoft HFSS.The complete design of the antenna is shown,and the measurements are compared with simulations to reveal very good agreement.The experimental results show that the axial ratio is less than 1.5 dB and the VSWR is less than 1.6 in the operation frequency band.

X band;wide band;dual circular-polarization;low axial ratio;waveguide array antenna

TN828.5;TN822+.8

A

1672-2337(2017)01-0050-05

10.3969/j.issn.1672-2337.2017.01.009

2016-03-03;

2016-11-20

張洪濤男,1980年生于河南,碩士,中國電子科技集團公司第三十八研究所高級工程師,主要從事天饋系統的設計。E-mail:zhangfan0826@126.com

汪偉男,1969年生于安徽,博士,中國電子科技集團公司第三十八研究所研究員,主要從事天線與微波系統的研究工作。

梁仙靈男,1978年生于浙江,博士,上海交通大學副教授,主要研究領域為現代天線理論與技術、有源相控陣、DBF陣列。

金謀平男,1968年生于安徽,博士,中國電子科技集團公司第三十八研究所研究員,主要從事天線與微波系統的研究工作。

盧曉鵬男,1976年生于安徽,中國電子科技集團公司第三十八研究所研究員,主要從事天線與微波系統的研究工作。