劉二平，宋長(zhǎng)宏

(1．海軍駐保定地區(qū)軍事代表室，河北 保定 071000; 2．中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

一種新型高效率雙極化背腔陣列天線

劉二平1，宋長(zhǎng)宏2

(1．海軍駐保定地區(qū)軍事代表室，河北 保定 071000; 2．中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

針對(duì)衛(wèi)星通信系統(tǒng)對(duì)雙極化天線的隔離度、口徑效率及端口隔離度等指標(biāo)提出的要求，設(shè)計(jì)了一種高效率雙極化背腔陣列天線，天線輻射單元采用方口喇叭，輻射效率高，采用空氣懸置帶線饋電網(wǎng)絡(luò)大大降低了饋電損耗，采用反相饋電技術(shù)改善了天線的交叉極化隔離度。重點(diǎn)討論了2×2子陣的口徑效率、交叉極化和端口隔離。利用仿真軟件進(jìn)行了優(yōu)化仿真分析，在此基礎(chǔ)上研制了16×32陣列樣件，對(duì)其電性能進(jìn)行了測(cè)量，測(cè)試結(jié)果表明，此雙極化陣列天線具有輻射效率高、交叉極化電平低、端口隔離度高的特點(diǎn)。

雙極化；背腔；交叉極化；口徑效率

0 引言

隨著衛(wèi)星通信技術(shù)的發(fā)展，對(duì)天線的要求越來(lái)越高，不僅要求天線具雙極化輻射、高增益和高隔離度，同時(shí)要求天線具有低輪廓、高效率和小型化等特點(diǎn)［1］。目前采用平面陣列天線形式是實(shí)現(xiàn)天線低輪廓、小型化的主要途徑。文獻(xiàn)［2，3］報(bào)道的雙極化陣列天線主要以微帶天線為主，微帶陣列天線的特點(diǎn)是低輪廓、小型化、加工精度高和易集成，但饋線冗長(zhǎng)、損耗大及輻射效率低，尤其是極化隔離度只有10～20 dB，較差的端口隔離度將嚴(yán)重影響通信質(zhì)量，尤其在極化分集的通信系統(tǒng)中對(duì)通信質(zhì)量影響會(huì)更大。采用波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的雙極化陣列天線饋線損耗低、輻射效率高，但是結(jié)構(gòu)笨重、帶寬窄，且實(shí)現(xiàn)雙極化技術(shù)并不成熟［4］。

1 單元設(shè)計(jì)

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

如圖1所示，天線輻射單元由方口喇叭、饋電網(wǎng)絡(luò)和背腔組成，利用探針激勵(lì)方形腔體實(shí)現(xiàn)對(duì)方口喇叭饋電，探針采用印制板敷銅結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，該結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是加工精度高、損耗低可實(shí)現(xiàn)任意結(jié)構(gòu)形式。微波板材為T(mén)ACONIC公司的TLY－5A型號(hào)，厚度為0．127 mm，介電常數(shù)為2．2，損耗正切為0．000 9。利用功分網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)4個(gè)單元的能量合成，背腔結(jié)構(gòu)保證了天線的定向輻射，饋電網(wǎng)絡(luò)分為上下兩層，探針正交放置，實(shí)現(xiàn)正交雙線極化激勵(lì)，網(wǎng)絡(luò)上下兩層放置可使兩極化功分網(wǎng)絡(luò)不交叉。

圖1 外形結(jié)構(gòu)

1.2 仿真分析

選擇天線的工作頻段為23～26 GHz，方口喇叭口徑尺寸A=0．87λ，方腔邊長(zhǎng)尺寸為B，參數(shù)B決定天線的工作頻段，通常取B=λ/2(λ中心頻率對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng))，喇叭間距為D=0．92λ，選擇合適的單元間距可獲得較高的組陣效率，采用此種組陣方式可以充分利用口徑面積提高口徑輻射效率。

利用三維電磁場(chǎng)仿真軟件HFSS對(duì)2×2子陣單元進(jìn)行了優(yōu)化仿真設(shè)計(jì)，以口面輻射效率為優(yōu)化目標(biāo)，其中喇叭口徑A=10．75 mm，高度H3=4 mm，腔體寬度B=6．87 mm，喇叭間距D=11．25 mm。仿真設(shè)計(jì)中發(fā)現(xiàn)喇叭高度H3對(duì)天線效率影響較大，通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)H3可以獲得較高的輻射效率，如圖2所示方向圖增益隨參數(shù)H3變化曲線，當(dāng)H3=4 mm時(shí)增益為16．5 dB，2×2子陣天線口徑尺寸為24 mm× 24 mm，對(duì)應(yīng)的天線口徑效率為92%。

圖2 2×2子陣方向圖

懸置帶線以探針形式激勵(lì)腔體，饋電探針末端與匹配盤(pán)之間留有一定的間隙，上下層匹配盤(pán)的直徑分別為R1和R2，調(diào)整匹配盤(pán)的直徑可實(shí)現(xiàn)對(duì)天線匹配的調(diào)諧。

2 雙極化特性分析

雙線極化天線端口隔離度，交叉極化電平是至關(guān)重要的指標(biāo)，也是雙極化陣列天線難以實(shí)現(xiàn)的指標(biāo)，作為各種形式的雙極化微帶陣列天線來(lái)說(shuō)由于輻射單元、饋線間耦合影響較大，導(dǎo)致交叉極化和端口隔離的指標(biāo)惡化，這是這類(lèi)天線普遍存在的問(wèn)題。文中提出的天線單元結(jié)構(gòu)，喇叭張口較大，方向圖波束較窄所以耦合較小，同時(shí)饋線封閉的導(dǎo)體腔內(nèi)饋線無(wú)寄生效應(yīng)，饋線間耦合較小，但是作為探針結(jié)構(gòu)的極化雙工器，上下層探針的耦合會(huì)導(dǎo)致交叉極化和端口隔離度惡化，工程上一般在－25 dB左右［5］。為了進(jìn)一步提高天線極化純度和端口隔離隔離度指標(biāo)，采用反相饋電技術(shù)，如圖3所示。

圖3 反相饋電網(wǎng)絡(luò)

相鄰2個(gè)喇叭單元的探針饋電方向是相反的，為了實(shí)現(xiàn)電場(chǎng)同相疊加，需要180°相位延遲處理，這樣經(jīng)過(guò)反相饋電和相位延遲再經(jīng)過(guò)功率合路實(shí)現(xiàn)了2個(gè)單元電場(chǎng)的同相疊加，在此過(guò)程中抑制了交叉極化分量提高了兩極化端口隔離，降低了交叉極化電平，如圖4給出了主極化和交叉極化方向圖的仿真結(jié)果。

圖4 交叉極化

從仿真結(jié)果來(lái)看，2個(gè)正交極化的交叉極化電平小于－45 dB，兩極化的端口隔離小于－40 dB，由此可見(jiàn)，采用反相饋電技術(shù)大大降低了天線的交叉極化電平，改善了兩極化端口隔離度。

3 陣列設(shè)計(jì)與實(shí)測(cè)結(jié)果

基于2×2子陣設(shè)計(jì)，加工了16×32陣列天線樣件，天線陣列的整體結(jié)構(gòu)分為3層，分別為輻射層、饋電網(wǎng)絡(luò)層和背腔層。采用數(shù)控分層加工的方法，印制板擠壓在每層之間，利用銷(xiāo)釘定位、螺釘壓緊的裝配方法，保證電磁波屏蔽。對(duì)天線樣件進(jìn)行了實(shí)測(cè)，從實(shí)測(cè)結(jié)果來(lái)看，帶寬內(nèi)(23～26 GHz)天線陣列增益大于35．8 dB(當(dāng)頻率為23 GHz時(shí))，天線口徑尺寸為190 mm×380 mm，口面效率大于70%，陣列口面效率比單元天線效率比較有所下降，主要是因?yàn)檠b配精度、饋電網(wǎng)絡(luò)損耗等因素所致，交叉極化電平小于－40 dB，端口隔離度小于－35 dB，2個(gè)端口的回波損耗小于－15 dB。

4 結(jié)束語(yǔ)

給出了一種背腔結(jié)構(gòu)的雙極化陣列天線，介紹了2×2子陣的設(shè)計(jì)方法，給出了子陣單元的輻射特性，重點(diǎn)分析了該天線交叉極化和端口隔離指標(biāo)特性，并采用反相饋電技術(shù)改善了天線的交叉極化電平和端口隔離度的技術(shù)指標(biāo)，最后加工和實(shí)測(cè)了16×32陣列天線樣件，測(cè)試結(jié)果表明天線陣列口面效率大于70%，端口隔離度小于－35 dB和交叉極化電平小于－40 dB。在要求小孔徑天線的衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，此種天線具有很好的工程應(yīng)用前景。

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A Novel High-efficiency Dual-polarization Cavity-backed Array Antenna

LIU Er-ping1，SONG Chang-hong2
(1．Military Representative Office of PLA Navy Stationed in Baoding Region，Baoding Hebei 071000，China; 2．The 54th Research Institute of CETC，Shijiazhuang Hebei 050081，China)

In this paper，a novel dual-polarization cavity-backed array antenna at K-band is introduced．The radiation aperture-efficiency，cross-polarization，port isolation of a 2×2 sub-array are discussed，and optimized by software．A 16×32 array prototype is developed and tested．The measurement results show that the dual-polarization array antenna proposed in this paper has characteristics such as high efficiency，low cross-polarization level and high port isolation．

dual-polarization;cavity-backed;cross-polarization;aperture-efficiency

TN82

A

1003－3114(2015)05－64－3

10.3969/j.issn.1003－3114.2015.05.17

劉二平，宋長(zhǎng)宏．一種新型高效率雙極化背腔陣列天線［J］．無(wú)線電通信技術(shù)，2015，41(5):64－66．

2015－04－20

劉二平(1977—)，男，工程師，主要研究方向:機(jī)電一體化設(shè)計(jì)。宋長(zhǎng)宏(1980—)，男，高級(jí)工程師，主要研究方向:寬帶陣列天線、共形天線設(shè)計(jì)。