楊彥炯

（中國電子科技集團公司第二十研究所，西安 710068）

0 引言

圓極化天線[1]因具有良好的抗多徑衰減特性與極化匹配特性而被廣泛應(yīng)用于衛(wèi)星通訊領(lǐng)域。高機動平臺衛(wèi)星通訊天線需具有高效率、低剖面、小型化、高增益等特性。反射面天線剖面高，不適用于高機動平臺；微帶天線在毫米波波段效率低下；平板陣列天線[2-6]因其剖面低、高效率、幅相易控制等特點得以廣泛應(yīng)用。

1 工作原理

本文設(shè)計一種陣列規(guī)模為8×8的Ka波段圓極化平板陣列天線，圖1為結(jié)構(gòu)示意圖。

圖1 Ka波段圓極化陣列天線結(jié)構(gòu)示意圖

陣列共劃分為四層，分別為輻射縫隙層、諧振腔體層、波導(dǎo)圓極化器層、饋電網(wǎng)絡(luò)層。陣列由16個2×2子陣組成，如圖2所示，調(diào)整縫隙參數(shù)a、b以及諧振腔尺寸使其在非常寬的帶寬內(nèi)有良好的阻抗匹配特性。

每個子陣由帶有圓極化器的方波導(dǎo)饋電，如圖3所示，port1與port2兩個端口分別輸入可形成兩個不同旋向的圓極化特性。調(diào)整方波導(dǎo)中的極化膜片參數(shù)h0、l0、h1、l1、h2、l2、h3、l3優(yōu)化圓極化特性。在本設(shè)計天線中僅使用一個饋電端口，另一個端口用金屬塊直接短路。

圖2 2×2線極化子陣示意圖

圖3 方波導(dǎo)圓極化器

圖4 為E面波導(dǎo)1分16等幅同相功分網(wǎng)絡(luò)，優(yōu)化其各參數(shù)得到接近理想的幅相分布。工作時，電磁波經(jīng)由饋電網(wǎng)絡(luò)層、波導(dǎo)圓極化器層、諧振腔體層最后至輻射縫隙層向自由空間輻射電磁能量。

圖4 E面波導(dǎo)等幅同相功分網(wǎng)絡(luò)

2 仿真設(shè)計

在29.4GHz～31.0GHz的工作頻帶內(nèi)對圖1中天線整體模型進行優(yōu)化設(shè)計，圖5為駐波仿真曲線，圖6～圖11為方向圖與軸比仿真曲線，可見工作頻帶內(nèi)駐波小于1.9，軸比小于3，增益大于25.4dB。電性能其他參數(shù)仿真結(jié)果見表1。

表1 平板陣列天線仿真結(jié)果

圖5 陣列天線駐波仿真曲線

圖6 29.4GHz仿真方向圖

圖7 30.2GHz仿真方向圖

圖8 31GHz仿真方向圖

圖9 29.4GHz仿真軸比

圖10 30.2GHz仿真軸比

圖11 31GHz仿真軸比

3 實物測試

對優(yōu)化設(shè)計后的天線進行加工實物（圖12）并測試其電性能特性，天線尺寸為66mm×66mm×35mm。圖13為駐波測試曲線，工作頻帶最大約1.9，與仿真結(jié)果較吻合。

圖12 Ka波段圓極化平板天線實物

圖13 駐波測試曲線

圖14 ~圖19為天線方向圖與軸比測試曲線?？梢?，天線副瓣電平、波束寬度、軸比等電性能參數(shù)均與仿真結(jié)果吻合。實測增益大于25.6dB，其余電性能參數(shù)實測值見表2。

圖14 29.4GHz實測方向圖

圖15 30.2GHz實測方向圖

圖16 31GHz實測方向圖

圖17 29.4GHz實測軸比

圖18 30.2GHz實測軸比

圖19 31GHz實測軸比

表2 平板陣列天線實測結(jié)果

4 結(jié)論

本文針對高機動平臺背景的Ka波段衛(wèi)星通訊天線特點，設(shè)計了一個具有高增益、低剖面的圓極化平板陣列天線。通過對整體天線的分層設(shè)計，并對整體模型進行優(yōu)化設(shè)計。在實際應(yīng)用中，可將該設(shè)計陣列進行排列組合，得到滿足口徑要求與增益要求的Ka波段衛(wèi)通圓極化天線。

參考文獻：

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