一種Ka頻段高效率圓極化寬角掃描波導縫隙相控陣天線

劉 斌 谷勝明* 孟明霞 史永康 丁克乾徐 磊 楊雨田 陳筠力

①(北京遙測技術研究所 北京 100076)

②(上海航天技術研究院 上海 201109)

1 引言

相比常見的微帶和振子天線[1，2]，波導縫隙陣天線兼具高增益、高效率、低損耗、易散熱、功率容量大、惡劣環境下適應能力強等優點。結合使用T/R組件，能夠實現1維筆形波束相控掃描，因此在微波毫米波頻段廣泛應用于各種載荷SAR和通信系統中[3—6]。

為克服云、雨的干擾，消除因電離層法拉第旋轉效應引起的極化畸變影響，同時具備一定的波束捷變能力，星載通信系統和雷達往往要求天線具有圓極化寬角相控掃描工作的能力。目前，公開報道的圓極化寬角掃描波導縫隙陣天線文獻較少。文獻[7—9]報道了幾種加載偶極子和微帶陣列的固定波束圓極化波導縫隙陣天線，介質材料的使用增加了天線的損耗，降低了天線在惡劣環境下的適應能力。文獻[10—13]介紹了幾種基于雙縫隙和四縫隙的固定波束圓極化波導縫隙陣天線，由于縫隙尺寸大難以用于寬角掃描。文獻[14]基于雙縫輻射的頻掃圓極化間隙波導縫隙陣天線掃描角范圍僅±15°。文獻[15]介紹了一種加載寄生振子的波導縫隙相控陣天線，應用于美國“信使”水星探測，該天線在8.5 GHz±50 MHz頻段能夠實現±45°圓極化寬角筆形波束掃描，但該天線結構較為復雜，掃描角范圍僅90°。文獻[16]提出了一種可加載在波導縫隙陣天線的四脊波導圓極化器，但該圓極化器尺寸大，難以應用于寬角相控掃描天線。

本文提出了一種新型小尺寸、低剖面、“f”字型波導縫隙圓極化器，剖面高度僅1/6自由空間波長，可加載在線極化脊波導縫隙線陣上實現天線圓極化工作。采用設計的線陣天線作為陣元，結合使用Ka頻段16路T組件、Ka功分網絡、電源和波控器，設計、加工并裝配完成了16陣元Ka頻段圓極化脊波導縫隙1 維相控陣天線，可實現1 維±60°寬角圓極化掃描，從而解決了在空間應用中對Ka頻段輕質、高效率、圓極化、寬角掃描相控陣天線的需求。本文重點介紹圓極化波導縫隙陣天線的設計與實現，關于相控陣天線內部的Ka頻段16路T組件、Ka功分網絡、電源和波控器的設計不在文中詳述。

2 波導縫隙圓極化器的設計與分析

如圖1(a)所示，“f”字型波導縫隙右旋圓極化器由“f”字型縫隙和波導耦合腔構成。其中，“f”字型縫隙由“一”字型縫隙和倒“Z”字型縫隙正交構成。如圖1(b)所示，當“f”字型縫隙翻轉后，該圓極化器可實現左旋圓極化。為便于用作波導縫隙線陣天線的圓極化器，“f”字型圓極化器采用如圖1(b)所示橫向縫隙進行饋電，饋電縫隙與“一”字型縫隙的夾角為45°。為便于機械加工，所有縫隙的兩端和波導耦合腔的四角均進行倒圓角處理。

如圖1所示，該圓極化器的主要參數包括波導耦合腔的長度couple_L、寬度couple_W和高度couple_H，“一”字型縫隙的長度pslot-L，倒“Z”字型縫隙的主枝節長度zslot-mL和分枝節長度zslot-sL，兩種縫隙的寬度slot-W。當圓極化器工作在Ka頻段時，為減輕重量，兩種縫隙和波導耦合腔的厚度即couple_H和fsolt_H均設計為λ0/12，因此“f”字型圓極化器的總厚度僅為λ0/6，其中λ0為圓極化器工作中心頻率下對應的自由空間波長。

圖1 “f”字型波導縫隙圓極化器波導空腔示意圖

對于如圖1(a)所示縫隙饋電“f”字型波導圓極化器的輻射電場，可等效為如圖2所示兩個饋電縫隙分別采用等幅同相的X極化和Y 極化電場進行饋電所獲取的輻射電場矢量疊加。采用商業電磁仿真軟件ANSYS HFSS分別對圖2所示兩種極化電場饋電的“f”字型圓極化器進行仿真，得到如圖2(a)和圖2(b)所示口面電場分布，同時可以得到如圖2(c)和圖2(d)所示R=200 mm處遠場X極化和Y 極化輻射電場的幅度方向圖，如圖2(e)所示兩種主極化輻射電場的相位方向圖。從圖2中可知，X(或Y )極化電場饋電“f”字型圓極化器時，主輻射電場也呈現出相同極化；且X極化電場饋電獲取的X極化輻射電場與Y 極化電場饋電獲取的Y 極化輻射電場相位差90°，即“f”字型圓極化器對兩種正交極化饋電呈現出不同的等效傳播常數，從而實現圓極化輻射。

由于“f”字型圓極化器結構復雜，難以給出等效傳播常數的解析表達式以指導設計。因此，采用仿真軟件HFSS對影響軸比的主要參數couple_L，couple_W， pslot-L， zslot-mL和zslot-sL進行了仿真和優化，仿真時縫隙寬度slot-W值設為0.67λ0。考慮到波導耦合腔的長度couple_L和寬度couple_W對圓極化器軸比的影響較小，本文不再詳細給出軸比隨兩種參數的變化曲線。圖3(a)—圖3(c)分別給出了該圓極化器3 dB軸比帶寬隨參數pslot-L， zslot-mL和zslot-sL的變化曲線。圖3中可見，3種參數對軸比值的影響均較大；相比受zslot-mL值的影響，軸比對pslot-L和zslot-sL參數的變化更敏感；從圖3中可知，新型“f”字型圓極化的3 dB軸比帶寬約為2.4%。

圖2 “f”字型波導縫隙圓極化器等效饋電時獲取的電場分布及遠場方向圖

圖3 “f”字型波導圓極化器軸比仿真曲線

3 圓極化波導縫隙線陣陣元設計

為實現相控陣天線沿Y軸1維±60°寬角掃描，陣元采用如圖4(a)所示線極化脊波導寬邊縱向縫隙駐波線陣加載圓極化器的天線形式。為避免出現柵瓣，線陣陣元之間的間隔應滿足dx≤λmin/(1+sin θmax)的要求，式中λmin為相控陣天線的最小工作波長，θmax為天線最大波束掃描角度。由于天線窄頻帶工作， dx可選取為0.5λ0。考慮到金屬壁的厚度，脊波導的寬邊尺寸設計為0.42λ0。參考文獻[17]，為提高波導縫隙天線口面效率，在波導縱向輻射縫隙上加載矩形輻射腔，腔體的長度和寬度分別為cav_L和cav_W。為降低剖面高度，輻射腔的厚度cav_d設計為0.83λ0。相鄰矩形輻射腔的間距dis_cav等于縱向縫隙間距，即脊波導半個波導波長λg/2。綜合考慮脊波導寬邊縱向縫隙天線的口面效率和結構限制，cav_W值設計為0.42λ0，cav_L值設計為0.64λ0， dis_cav值設計為0.72λ0。為實現上述線極化線陣陣元圓極化工作，如圖4(b)所示，在每一對縱向縫隙和輻射腔之間加載2.1節所述“f”字型波導圓極化器，其中縱向縫隙作為圓極化器的饋電縫隙。

圖4 脊波導寬邊縱向縫隙駐波線陣天線空腔示意圖

對于波導縫隙駐波線陣天線，縱向縫隙的數量越多，天線的阻抗和軸比帶寬越窄。為實現高增益工作，線陣天線采用脊波導一分四功分級聯網絡進行饋電，并通過中心饋電的方式增大天線帶寬，以降低波導縫隙天線Ka頻段工作時對加工精度的要求。為降低功分網絡的剖面高度，相鄰層的脊波導采用文獻[18]所述“Z”字型縫隙耦合饋電。圖5所示為HFSS仿真獲得的功分網絡S參數仿真曲線，其中端口1為輸入端口，端口2～5為4個輸出端口。圖5中可見，設計的功分網絡帶內反射系數小于—20 dB，且實現了4個端口的等功率分配。圖6所示為圓極化脊波導寬邊縱向縫隙駐波線陣天線在HFSS軟件中的仿真模型，圖6中線陣天線共計有64個圓極化波導輻射腔。為展示設計的Ka頻段圓極化波導縫隙線陣天線性能，采用先分層機械加工再真空焊接的工藝完成了16根鋁合金線陣天線的加工，加工完成的線陣天線剖面高度僅1.46λ0，實物照片如圖7所示。圖7中可見，沿X軸方向共計有16根圓極化脊波導縫隙線陣天線，由于兩根線陣天線之間的間距為0.5λ0，因此天線輻射口面寬度為8λ0。考慮到每根線陣天線均包括64個間距為0.72λ0的圓極化波導輻射腔，故天線輻射口面長度為46.08λ0。

采用Keysight矢量網絡分析儀N5224A對單根線陣天線陣元的駐波比進行測試，實測和仿真駐波比曲線如圖8所示，圖8中可見工作頻段內仿真和實測駐波比均小于2，且實測值與仿真值一致性較好。由于Ka波段圓極化波導縫隙駐波線陣天線陣元沿X軸方向寬度僅0.5λ0，沿Y 軸方向長度為46.08λ0，因此該線陣陣元具有沿 φ=0°切面寬波束輻射，沿 φ=90°切面窄波束輻射的特性。為進行波束性能驗證，圖9分別給出了采用HFSS仿真軟件和遠場暗室測試得到的單根線陣天線在工作頻點f0處的歸一化增益和軸比方向圖。從圖9中可知，仿真軸比值為2.3 dB，實測軸比值為2.7 dB，兩者的一致性較好；仿真得到的 φ=0°切面3 dB波束寬度為85.4°，實測值為101.4°且實測曲線出現了上下起伏的波紋，這主要是由寬波束方向鄰近陣元的互耦效應引起的；φ =90°切面實測歸一化增益曲線與仿真結果吻合得較好，仿真與實測副瓣電平值分別—13.4 dB和—12.9 dB， 3 dB波束寬度均為1.2°。

圖5 脊波導功分網絡S參數仿真曲線

圖6 線陣天線HFSS仿真模型

4 Ka波導縫隙相控陣天線仿真和實測結果

為實現1維相控掃描，采用加工的16根波導縫隙線陣作為輻射陣面，將研制完成的Ka頻段16路T組件、Ka功分網絡、電源和波控器裝配在輻射陣面背部，從而構成1維圓極化脊波導縫隙相控陣天線，該相控陣天線可沿圖7所示 φ=0°切面進行空間窄波束合成，并通過控制T組件輸出相位實現沿φ=0°切面1維相控掃描。為獲取相控波束掃描特性，采用HFSS仿真軟件對該相控陣天線進行全陣列建模仿真，得到如圖10所示不同掃描角度時的增益曲線和如表1所示不同掃描角度時的軸比值。如圖11所示，采用基于Keysight矢量網絡分析儀5224A構建的平面近場暗室對研制完成的圓極化脊波導縫隙相控陣天線進行測試，可得到如圖10和表1所示不同掃描角度時的增益曲線和軸比值。從圖10可知，研制完成的16陣元Ka頻段圓極化脊波導縫隙相控陣天線可實現1維±60°寬角掃描；在掃描角范圍內，實測增益和仿真值吻合得較好；0°掃描角時，實測增益值為35.9 dB， ±60°掃描角實測增益分別為31.9 dB和31.6 dB，相比0°掃描角增益下降僅4.3dB。根據口面天線增益計算公式Gain=10lg(4πηLW/)，式中η 為天線輻射效率，L=46.08λ0， W=8λ0分別為天線輻射口面長度和寬度，計算可得0°掃描角時該相控陣天線的輻射效率η接近85%。

圖7 Ka波段圓極化波導縫隙線陣天線實物照片

從表1可知，在掃描角范圍內仿真軸比值均小于3.4 dB，實測軸比值均小于4.1 dB。相比仿真值，所有掃描角度下的實測軸比均有所惡化，主要原因是波導縫隙圓極化器的加工誤差。從圖3可知，“f”字型波導圓極化器帶寬較窄，且對參數pslot-L和zslot-sL敏感，特別是在Ka頻段對加工誤差更加敏感。此外，軸比的惡化還與線陣陣元之間的互耦有關，互耦產生的表面波效應一定程度上導致軸比的惡化。

圖8 圓極化波導縫隙線陣仿真和實測駐波比

圖9 圓極化波導縫隙線陣天線歸一化增益和軸比仿真與測試曲線

圖10 相控陣天線f0頻點處的仿真與實測增益曲線

表1 圓極化波導縫隙相控陣天線f0頻點處的仿真與實測軸比值

圖11 相控陣天線在平面近場暗室中的測試照片

5 結論

本文提出了一種新型低剖面、“f”字型波導縫隙圓極化器，剖面高度僅1/6工作波長，寬度約2/5工作波長。采用該圓極化器結合脊波導駐波縫隙線陣天線，設計、仿真、加工并實現了一種實測性能指標優異的Ka波段圓極化寬角掃描相控陣天線，能夠實現1維±60°寬角相控掃描。在掃描角范圍內，相控陣天線的軸比均小于4.1 dB，增益下降小于4.3 dB。在0°掃描角工作時，相控陣天線實測增益為35.9 dBi，輻射效率接近85%。當結合使用1維伺服機構時，通過1維波束機械掃描疊加1維波束相控掃描的方式，本相控陣天線可實現2維波束寬角掃描。相比傳統雙伺服驅動的2維波束掃描反射面天線，不僅能夠節省1維伺服機構，還具有更加靈活的波束掃描工作模式；相比2維寬角掃描相控陣天線，能夠大量減少T/R組件的數量，降低天線的成本和復雜度。此外，全金屬結構的圓極化寬角掃描波導縫隙相控陣天線還具有惡劣環境適應能力強的優點，在星載通信和雷達系統中具有重要的應用價值。