一種寬帶圓極化天線的設計

周硙硙，張 青，趙 旭，夏 翔

（1.海軍裝備部駐南京地區第一軍事代表室，江蘇南京210006；2.中國航天科工集團8511 研究所，江蘇 南京210007）

0 引言

隨著現代雷達系統和和電子對抗系統的發展，系統集成和功能需求逐漸提高。現代雷達很多都采用寬帶、超寬帶調擴頻技術和頻率捷變技術，雷達目標信號將在較寬的頻帶范圍內存在，極化形式也呈現多樣性發展，在工作過程中極化形式不斷變化，并對系統作用距離的要求不斷提高。因此天線必須具備寬頻帶、寬波束、多極化以及在所需波束范圍內有相對較高增益的特點。在通信系統中，圓極化天線具有抗云、雨干擾，減少信號漏失，消除由電離層法拉第旋轉效應引起的極化畸變影響等優點。因此圓極化天線在通信領域有著廣泛的應用。

本文介紹了一種工作于X 頻段的雙圓極化喇叭天線，在最大限度范圍內達到了多項指標的均衡性，同時降低了天線的復雜度、損耗和成本。

1 天線設計

工作中要求一種工作頻帶范圍在8～12 GHz。考慮到喇叭天線具有頻率性能好、適用帶寬寬、結構簡單、易于調整、損耗小等特點，因此所設計的天線采用喇叭天線的形式。為了使喇叭天線實現圓極化工作，采用尺寸較小且帶寬較寬的隔板圓極化器。根據隔板圓極化器的移相特性及場型結構，在隔板的兩側分別進行激勵，其公共輸出端便可實現左旋或右旋2 種圓極化波，因此天線可雙圓極化工作。

本天線由同軸-矩形波導轉換器、波導隔板圓極化器和波導段組成。天線通過同軸線饋電，經同軸-矩形波導轉換器在方波導中形成TE10 模電磁波，再經過圓極化器后，在圓極化器輸出端形成圓極化波。

1.1 饋電設計

天線的饋電采用同軸-波導轉換器，用同軸探針激勵圓波導。將同軸線的外導體與圓波導的外壁連在一起，內導體的延伸部分(探針)插入波導中，形成一個小輻射天線，在波導內激勵出TE10模電磁波。這種同軸-矩形波導轉換器在同軸-波導轉換處引入了電抗，造成了波的反射，使同軸與波導的失配加劇。為了改善同軸-圓波導轉換器的匹配性能，可以通過調節探針插入深度以及探針在波導中位置的方式完成。一般其饋電位置離短路端的距離為工作中心頻點所計算出的波導波長的1/4 略短的位置。

1.2 圓極化設計

模片尺寸，必須分析該圓極化喇叭天線內的場，而該天線可以采用波導分析中常用的模式匹配法。首先把圓極化喇叭天線看作一個四端口網絡，用以導出四端口散射參數的耦合矩陣在很多文獻中已有描述[1-2],在此分析中需要注意的是波導模片部分場值。

按照圖1 所示的金屬隔板，可以認為隔板的每一個階梯都是相互獨立的，所以每一個階梯段可以等效地看作為一段脊波導，應用脊波導、脊邊緣的邊界條件可以得到這一段的散射矩陣。

圖1 隔板圓極化器隔板結構

2 天線仿真

天線采用HFSS9 電磁場分析軟件進行仿真分析。天線在HFSS 軟件中的仿真模型及單元駐波如圖2-3 所示。天線在8～12 GHz 的頻段內進行仿真，針對計算的結果分析，調整模型的結構尺寸以進行優化設計，直到輸出滿意的結果，在調整天線模型尺寸時，要考慮實際工程的應用以及加工精度的要求。

單元增益方向圖如圖4―9 所示。單元軸比方向圖如圖10―11 所示。

單元增益和軸比性能統計如表1 所示。

可以看出，天線端口駐波在8～12 GHz 頻帶內小于2。天線方位面±60°增益大于-0.8 dB，俯仰面增益±60°增益大于-2.5 dB，方位面與俯仰面軸向軸比小于2.1。

圖2 天線單元模型圖

圖3 天線駐波

圖4 8 GHz 方位面增益方向圖

圖5 10 GHz 方位面增益方向圖

圖6 12 GHz 方位面增益方向圖

圖7 8 GHz 俯仰面增益方向圖

圖8 10 GHz 俯仰面增益方向圖

圖9 12 GHz 俯仰面增益方向圖

仿真結果表明，喇叭天線結構簡單緊湊，方向性、圓極化性能優良，帶寬完全能滿足要求，天線的設計達到了實際工程的要求。

圖10 方位面軸比方向圖

圖11 俯仰面軸比方向圖

表1 天線仿真性能統計表

3 天線測試

根據仿真優化的結果制作了實物模型。使用Agilent N5230A 矢量網絡分析儀對天線的S 參數進行了測試。在暗室進行增益方向圖測試，測試結果如圖12―17 所示。

圖12 8 GHz 方位面增益方向圖

測試結果表明，單元天線駐波小于2，增益值統計如表2 所示。

圖13 10 GHz 方位面增益方向圖

圖14 12 GHz 方位面增益方向圖

圖15 8 GHz 俯仰面增益方向圖

4 結束語

本文在原有模片圓極化喇叭天線的基礎上，通過對天線的改進，研制出一種新型X 波段的圓極化喇叭天線。該天線擴展了普通模片圓極化喇叭天線的工作帶寬，且改善了圓極化喇叭天線高頻段低仰角的增益，為寬帶圓極化天線的進一步研究和設計提出了一種新的實現方式。

圖16 10 GHz 俯仰面增益方向圖

圖17 12 GHz 俯仰面增益方向圖

表2 天線增益實測性能統計表