一種寬帶緊湊高可靠性Ku 波段波導陣列天線的研制

尹經禪

（中國電子科技集團公司第二十九研究所，四川成都，610036）

0 引言

近年來，在大量涌現的實際需求的牽引下，通信[1]、導航、雷達[2]、敵我識別等領域的電磁信息技術有了突飛猛進的發展。在所有這些電磁信息領域中，都離不開一類共同的物理部件——傳感器，即天線。天線作為電磁信息的收發最前端，直接將電磁信號能量輻射到空間或從空間接收電磁信號能量，天線的性能決定了其不同的應用領域，應用的多樣性導致了種類繁多的天線形式，如通信天線[3]、衛星導航天線[4]、雷達天線[5]等；從天線規模上看有單天線和陣列天線；從收發信號帶寬上看有窄帶天線和寬帶天線[6]；從制作材料上看有微帶天線[7]、振子天線、喇叭天線[8]、拋物面天線等；從工作波段上看有S[9]、L[10]、C、X、Ku、K、Ka 等波段天線。在眾多天線形式中，本文著眼于寬帶、高可靠性的性能需求，研制了一套寬帶緊湊高可靠性Ku 波段波導陣列天線。該天線結構簡單，采用純金屬材料依靠機加工制作，可靠性高，不易出現損壞或故障。由于采用波導組陣實現，因而具有大于2GHz 的寬帶特性，同時具有大于22dB 的天線增益。研制的天線實物經實際測試，具有良好的電性能，符合設計指標。該天線的研制為通信等領域的寬帶高可靠性低成本天線應用提供了一套有益的解決方案。

1 天線的設計

研制的天線工作于Ku 波段，其射頻接口為SMA。該天線主要用途是實現Ku 波段信號的收發功能。天線主要由天線面板、功率合成網絡和波導同軸轉換器組成，如表1 所示。

表1 天線組成

天線的組成框圖如圖1 所示。整個天線由16 個寬帶波導天線單元等間距布陣，形成4×4 的正方形陣列天線，各天線單元由功率合成網絡實現射頻信號功率的功分與合成功能，功率合成網絡接波導同軸轉換器，實現射頻信號功率由同軸電纜輸入輸出。

圖1 天線組成框圖

具體工作原理如下：在發射工作狀態，來自射頻通道的Ku 波段信號經過波導同軸轉換器送至功率合成網絡，功率合成網絡將信號均分，再送至16 個圓極化天線單元，通過陣列的形式發送至空間；在接收工作狀態，16 個圓極化天線單元將空間的Ku 頻段信號接收，然后送至功率合成網絡進行波束合成，再經過波導同軸轉換器送至射頻通道。

設計的天線面板如圖2(a)所示，各天線單元緊湊排列，整個天線面板由機加工一體成型，能保證天線的高度可靠性。加上功率合成網絡的整個天線結構模型如圖2(b)所示，天線側面可設計成與轉臺或其它不同的機械接口連接。為防止水汽或其它異物進入天線內腔體，可在天線面板上面貼一層天線罩膜層材料，既能透波又能起防護作用。在天線的儲存和搬運過程中，為保護整個天線特別是保護天線罩膜層材料不被損壞，可在天線罩膜層材料外為天線加一個橡膠材質輔助保護蓋，天線不用時套上保護蓋，天線使用時去掉保護蓋，加保護蓋的天線效果圖如圖2(c)所示，圖中側面為波導同軸轉換器的同軸端口。圖2(d)為研制的天線實物（去掉保護蓋），天線材料為防銹鋁，能滿足鹽霧、濕熱、霉菌等苛刻環境要求，并且該材料質量小、強度高，具有很好的環境適應性。

圖2 天線設計圖與實物圖

2 天線的測試

在完成天線的設計和實物研制后，對其進行性能測試，測試所用設備和儀器如表2，性能測試內容包括端口電壓駐波比測試和暗室中的輻射性能測試。

表2 測試用設備與儀器

端口電壓駐波比測試框圖如圖3 所示，利用矢量網絡分析儀對天線端口的電壓駐波比VSWR 進行直接測試，驗證實測值是否符合設計要求。測試結果如圖4 所示，在整個寬頻帶范圍內端口電壓駐波比小于1.83，測試指標良好。

圖3 端口電壓駐波比測試框圖

圖4 端口電壓駐波比測試結果

天線輻射性能測試，選擇滿足計量要求的微波暗室進行，測試原理示意圖如圖5 所示，其具體步驟為：

(a)建立如圖5 所示的測試系統，將待測天線方位面安裝在轉臺上，將被測天線中心與方位轉臺中心重合，加電預熱使測試系統儀器設備工作正常；

圖5 天線電性能測試示意圖

(b) 按照測試要求規定的頻率測試點（頻率點：14.5GHz、15GHz、15.5GHz、16GHz、16.5GHz）， 饋 源組件發射信號。將發射天線設置為垂直極化，通過調節轉臺將發射天線和待測天線對準，接收信號電平最大；

(c) 運行測量軟件，設定待測天線角度掃描范圍θ=±90°；利用計算機自動采集網絡分析儀儀測量的方向圖數據，保存為方位面垂直極化數據；

(d)將發射天線設置為水平極化，通過調節轉臺將發射天線和待測天線對準，接收信號電平最大；

(e) 運行測量軟件，設定待測天線角度掃描范圍θ=±90°；利用計算機自動采集網絡分析儀儀測量的方向圖數據，保存為方位面水平極化數據；

(f)利用軟件對對方位面的垂直極化及水平極化進行圓極化合成自動處理，得到待測天線的方位面圓極化方向圖特性，并保存為方位面圓極化數據。

(g)將待測天線旋轉90°，俯仰面安裝在轉臺上；

(h) 按照測試要求規定的頻率測試點（頻率點：14.5GHz、15GHz、15.5GHz、16GHz、16.5GHz）， 饋 源組件發射信號。將發射天線設置為垂直極化，通過調節轉臺將發射天線和待測天線對準，接收信號電平最大；

(i) 運行測量軟件，設定待測天線角度掃描范圍θ=±90°；利用計算機自動采集網絡分析儀儀測量的方向圖數據，并保存為俯仰面垂直極化數據；

(j)將發射天線設置為水平極化，通過調節轉臺將發射天線和待測天線對準，接收信號電平最大；

(k) 運行測量軟件，設定待測天線角度掃描范圍θ=±90°；利用計算機自動采集網絡分析儀儀測量的方向圖數據，并保存為俯仰面水平極化數據；

(l)利用軟件對對俯仰面的垂直極化及水平極化進行圓極化合成自動處理，得到待測天線的俯仰面圓極化方向圖特性，并保存為俯仰面圓極化數據。

利用測試軟件對天線的方位面、俯仰面圓極化數據進行分析和統計，得到天線方向圖的工作頻段、天線波束寬度、極化方式、圓極化軸比等性能，并記錄下來。

天線增益測試采用增益對比法進行測試。測試步驟如下所示：

(a)將待測天線取下，換上標準增益喇叭天線，并將發射天線和標準增益天線都設置為垂直極化。按照測試要求規定的頻率測試點（頻率點：14.5GHz、15GHz、15.5GHz、16GHz、16.5GHz），饋源組件發射信號。將發射天線與標準增益天線對準后，設定標準增益天線角度掃描范圍θ=±10°，記錄最大電平值P0v；

(b)將發射天線與標準增益天線都設置為水平極化，按照測試要求規定的頻率測試點（頻率點：14.5GHz、15GHz、15.5GHz、16GHz、16.5GHz），饋源組件發射信號。將發射天線與標準增益天線對準后，設定標準增益天線角度掃描范圍θ=±10°，記錄最大電平值P0h；

(c)將測試到水平極化、垂直極化方向圖通過測試軟件合成圓極化方向圖，并記錄最大值Pc。

(d)通過公式：

求到待測天線增益G。

式(1)、(2)中：G0：標準天線增益；P0v：標準增益天線垂直極化最大電平；P0h：標準增益天線水平極化最大電平；Pc：待測天線合成圓極化最大電平；G：待測天線圓極化增益。

通過上述公式，即可計算出天線的增益。

天線在方位面的方向圖測試結果如圖6 所示，給出了典型頻點的歸一化方向圖。天線在俯仰面的方向圖測試結果如圖7 所示，同樣給出了典型頻點的歸一化方向圖。

根據圖6 和圖7 的天線方向圖測試結果和增益測試情況，可得出天線各項性能良好，在2GHz 的寬帶范圍內具有大于22dB 的天線增益。

圖6 天線方向圖測試結果（方位面）

圖7 天線方向圖測試結果（俯仰面）

3 結論

研制了一套寬帶緊湊高可靠性Ku 波段波導陣列天線，該天線由16 個寬帶波導天線單元組陣實現。經過性能測試，發現測試數據良好。該天線采用純金屬材料依靠機加工制作，保證了極高的可靠性；利用波導組陣實現，具有很好的寬帶特性，同時具有很好的功率耐受能力。在要求寬帶高可靠性和較高增益的應用場合，該天線給出了一個有效的解決方案，可供選擇參考。