寬帶高增益全并饋雙極化波導縫隙濾波天線陣

張 濤,李迎欣,朱麗麗,紀 松,魯洵洵

(上海無線電設備研究所, 上海 201109)

0 引言

在現代雷達系統中,高性能天線是必不可少的一環。為了實現更大的工作帶寬,降低同頻干擾,寬帶雙極化天線[1]被廣泛研究。

近些年來,微帶雙極化天線由于具有結構緊湊、質量輕、易加工等優點而得到應用。但由于介質損耗大、寄生效應強以及表面波泄漏等原因,微帶雙極化天線的高頻段性能不穩定[2]。相比于微帶天線,波導縫隙天線由于具有低損耗、高增益以及高結構強度等優點,而得到了更加廣泛的應用[3-4]。文獻[3]采用兩種不同的天線單元形式實現了雙極化輻射功能,但兩種天線單元形式并存不僅降低了天線輻射效率,還增加了饋電網絡的復雜度。另一方面,當多款天線安裝在同一工作平臺,特別是當各天線工作頻率相近時,天線之間因互耦產生的干擾會造成天線性能惡化。采用抑制天線工作頻段以外信號能量的方法可以顯著降低天線間的互耦,進而改善天線性能。

本文提出一種“十字縫”形式的雙極化波導縫隙天線陣列形式,并設計一款直線型頻變耦合濾波器,通過引入頻變耦合在通帶上阻帶實現一個傳輸零點。通過聯合設計天線和濾波器,在不改變天線陣列性能的前提下提高帶外抑制性能,并進行仿真驗證。

1 天線子陣結構布局

雙極化天線單元結構共分為6層,分別為輻射縫、四脊波導、耦合波導、垂直極化(VV)饋電端口、耦合縫和水平極化(HH)饋電端口,如圖1所示。

圖1 雙極化天線單元結構

第一層4個“十字形”輻射縫對稱分布,位于第二層的四脊波導邊緣,共同形成雙極化輻射單元。第三層的耦合波導用于耦合雙極化電磁波,通過適當調整耦合縫和輻射縫的尺寸,使得第一層的4個輻射縫能夠輻射等幅同相的信號。

采用全并饋形式對雙極化天線單元進行饋電,有助于降低陣列天線功分網絡的復雜度。通過第四層波導饋電實現垂直極化信號傳輸。通過對第六層波導饋電,經第五層耦合波導縫實現水平極化信號傳輸。

由于圖1所示天線單元水平極化饋電端口同相,垂直極化饋電端口反相,雙極化天線采用兩種不同的一分二功分器,如圖2所示。采用圖2(a)所示的一分二功分器結構設計水平極化饋電網絡,直接對同相的水平極化子陣進行饋電。采用圖2(b)所示的一分二功分器結構設計垂直極化饋電網絡。根據波導功分器中波導磁場的對稱性,在饋電網絡中增加一層功分波導層,垂直極化波經耦合縫隙饋入功分波導,經功分波導功分,使得饋電方向上的相鄰子陣垂直極化波變為同相。

圖2 雙極化天線一分二功分器

圖2所示的功分器將兩種極化合并為一個單元,實現2×2雙極化天線子陣。該子陣單元之間采用并聯饋電,避免了串聯饋電帶來的長線效應影響,有效擴展了縫隙天線的工作帶寬。天線工作在K 波段,采用HFSS 15.0 軟件進行天線電性能仿真,其反射系數和隔離度仿真結果如圖3所示。圖中fL,fH,f0分別為天線工作的低頻頻點、高頻頻點和中心頻點。可知,2×2雙極化天線子陣實現了10%工作帶寬(0.95f0～1.05f0),反射系數|S11|<-10 dB,隔離度|S12|<-40 dB等指標。

圖3 2×2雙極化天線子陣反射系數和隔離度

2 1/4分區全并饋雙極化波導縫隙陣列天線

基于圖1所示的雙極化天線單元和圖2所示的一分二功分器,采用全并饋波導縫隙天線將輻射縫隙由串聯饋電改為并聯饋電,將兩種極化單元合并為一個單元,避免了傳統波導縫隙線陣中長線效應的影響。通過調節功分器中阻抗變換段的長度和匹配臺階的尺寸,在輸入端口幅度滿足要求的前提下,使輸入端口駐波最優,且帶寬盡量寬。

基于優化后的1×2天線子陣,將除饋電網絡以外的天線單元部分整體平移,構成2×2天線子陣。將優化后的一分二功分器代入2×4天線子陣進行仿真。微調兩層饋電網絡參數,得到優化后的4×4子陣仿真結果。基于設計的全并饋雙極化天線子陣,通過不等功分器實現綜合的泰勒(Taylor)加權分布。通常單脈沖天線由4個相同的分區組成,且4個分區是軸對稱的,只需要完成1/4分區天線子陣列設計即可。1/4分區雙極化波導縫隙天線子陣如圖4所示。

圖4 1/4分區雙極化波導縫隙天線子陣

3 頻變耦合濾波器綜合

為了提高雷達系統的抗干擾性能,在天線中集成濾波器來抑制帶外干擾信號的方法得到了越來越多的應用。

由于陣列天線結構復雜且可用空間有限,因此采用一種簡單直線型頻變耦合濾波器。通過引入頻變耦合結構在上阻帶實現了一個傳輸零點,以提高濾波器帶外抑制性能。直線型頻變耦合濾波器拓撲圖及結構[5]如圖5所示。

圖5 直線型頻變耦合濾波器拓撲及結構示意圖

根據Q值設計濾波器輸入/輸出端口尺寸,并根據頻變耦合矩陣的耦合系數設計諧振單元間距,進而得到完整的頻變耦合濾波器尺寸。其中零極點優化法綜合頻變耦合矩陣為

式中:ω為歸一化角頻率。

圖6 給出了直線型頻變耦合濾波器的S參數仿真結果。相比傳統直線型濾波器,直線型頻變耦合濾波器實現了10% 帶寬(0.95f0～1.05f0)性能,濾波器工作帶寬與天線工作帶寬一致,并且實現了高性能帶外抑制。

圖6 直線型頻變耦合濾波器的反射系數

4 雙極化波導縫隙濾波天線

基于設計的1/4分區陣列天線和頻變耦合濾波器,聯合設計了一款雙極化波導縫隙濾波天線陣。對于單脈沖天線,通過設計和差網絡,將4個圖4所示1/4分區陣面組陣,產生和差信號。雙極化波導縫隙濾波天線陣如圖7所示。

圖7 雙極化波導縫隙濾波天線陣

對雙極化波導縫隙濾波天線陣的反射系數及增益進行仿真,結果如圖8所示。可以看出,雙極化波導縫隙濾波天線陣實現了約10%的阻抗帶寬(0.950f0～1.066f0),反射系數|S11|<-10 d B,帶內增益波動穩定在1 d B 左右。由于在陣列天線系統中集成設計濾波器引入了傳輸零點,提高了天線系統的帶外抑制性能。

圖8 雙極化波導縫隙濾波天線陣反射系數及增益

5 測試結果分析

寬帶雙極化波導縫隙濾波天線陣測試系統及實物如圖9所示。為驗證該天線陣的設計指標及性能,對其進行性能測試,并與仿真結果對比。

圖9 雙極化波導縫隙濾波天線陣及測試系統

在中心頻點f0處,天線陣垂直極化仿真及測試的和差方向圖如圖10所示。可以明顯看出,波導縫隙濾波天線陣仿真及測試的和差方向圖吻合良好,副瓣低于-25 d B,零深低于-33 d B。

圖10 天線陣垂直極化和差方向圖仿真與測試結果對比

在中心頻點f0處,天線陣水平極化的仿真及測試和差方向圖如圖11所示。可以明顯看出,波導縫隙濾波天線陣仿真及測試的和差方向圖吻合良好,副瓣低于-24 d B,零深低于-33 d B,在中心頻點處效率約為45%。

圖11 天線陣水平極化和差方向圖仿真與測試結果對比

圖12給出了該濾波天線陣在微波暗室中測試得到的增益隨頻率變化的響應曲線。由于波導自身固有的高通特性,因此,只測試了濾波天線陣的通帶及高通性能。從圖中可以看出,該天線陣具有平穩的帶內增益和陡峭的群邊帶特性,實現了良好的帶外抑制效果。

圖12 頻率增益曲線

通過上述分析可知,天線陣的測試結果滿足設計指標要求,且與仿真結果吻合良好。仿真及測試驗證了天線陣結構的可靠性。與其他雙極化天線陣結構相比,這種天線陣結構充分利用了天線空間,簡化了功分網絡設計。

6 結論

本文設計了一種全并饋雙極化波導縫隙濾波天線陣,該天線陣具有寬帶、低副瓣、高增益等特性,通過在饋電網絡集成設計頻變耦合濾波器,在天線工作帶寬上阻帶引入了一個傳輸零點,實現了較高的帶外抑制。測試結果滿足設計指標要求,且與仿真結果吻合良好,證實了設計方法的有效性。本文的研究為后續寬帶雙極化波導縫隙濾波天線陣設計提供了有效的技術支持。